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我院植物免疫团队在活性氧(ROS)调控和编辑感病基因创制抗病新材料方面取得重要进展

Author:刘小凤  Source:  Date:2022-01-12  Views:

近日,我院植物免疫团队以西北农林科技大学为第一单位在国际权威学术期刊The Plant Cell发表了题为“Transcriptional Repression of   TaNOX10 by TaWRKY19 Compromises ROS Generation and Enhances Wheat Susceptibility to Stripe Rust”的研究论文。该研究鉴定了一个小麦易感条锈病基因TaWRKY19,揭示了在小麦与条锈菌互作中TaWRKY19通过转录抑制 TaNOX10 的表达调控活性氧平衡引致小麦感条锈病新机制,并通过编辑感病基因创制了抗病材料。

在正常条件下植物细胞活性氧产生和清除处于动态平衡中,活性氧的水平很低,不会伤害细胞。活性氧(ROS)可以直接抑制病菌的生长,也可以作为信号分子参与抗病过程,ROS的快速产生是植物防御系统激活的一个重要标志。小麦受到条锈菌( Puccinia striiformis )无毒性小种入侵时,ROS快速积累,病菌侵染部位的局部细胞坏死,阻止抑制病菌从寄主小麦中掠夺养分,小麦表现为抗病。当然,ROS的无限制积累会势必影响其自身的生长发育,甚至威胁小麦自身的生存。那么小麦是如何精准调控ROS的积累,既能达到阻滞病菌生长,又能避免过度影响自生的生长发育?模式植物中ROS受到磷酸化或转录激活的的调控机制研究已有广泛报道,但是关于ROS的抑制尤其是直接调控抑制还不清楚。

针对上述问题,我们首先利用模式植物短柄草进行了大规模的筛选工作,鉴定到候选的转录因子基因 BdWRKY67 ,其RNAi植株能够显著提高对短柄草锈菌的抗性,然后,在小麦上鉴定到了其同源基因 TaWRKY19 。通过病毒诱导的基因沉默和RNAi干扰技术明确了 TaWRKY19 负调控小麦对条锈病的抗性。为揭示 TaWRKY19 所介导的负调控机制,通过转录组测分析及 Chip-qPCR 技术,筛选到TaWRKY19调控的基因 TaNOX10 ,并利用EMSA及双荧光素酶报告系统验证了 TaWRKY19 能够结合到 TaNOX10 启动子区并发挥转录抑制作用。在小麦植株敲除 TaNOX10 基因,胞外的ROS浓度显著减少,明确了 TaNOX10 通过促进ROS的产生从而参与到小麦对条锈菌的抗性中。遗传学实验证实 TaWRKY19 能够与 TaNOX10 启动子中的W-box元件特异结合,转录抑制 TaNOX10 基因的表达,进而揭示了 TaWRKY19 所介导的感病机制。

小麦条锈病是小麦生产上危害最重的病害之一,长期威胁着我国的粮食安全。选育并合理布局抗病品种是生产上防治条锈病最为有效、经济的措施。然而,生产上抗病性利用中面临的主要问题是小麦品种常因条锈菌的毒性频繁变异而“丧失”抗性。本研究探索利用CRISPR-Cas9 技术编辑 TaWRKY19 易感条锈病基因,成功获得了具有广谱抗性的小麦材料,展现了 TaWRKY19 在小麦抗条锈病品种创制中潜在的应用价值。这对于解决生产上小麦材料抗性频繁丧失问题提供了一种行之有效的途径。

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图 TaWRKY19 对 TaNOX10 的转录调控模型

西北农林科技大学博士后王宁为论文的第一作者,王晓杰教授为论文的通讯作者,康振生院士为论文的共同作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员和旱区作物逆境生物学国家重点实验室小麦转基因平台黄雪玲副研究员对小麦基因编辑和转基因的材料的创制提供了大力支持和帮助。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目,陕西省创新团队,国家农业产业体系,陕西省国际合作和111项目的资助。

文章链接:

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac001/6499280

编辑:刘小凤
终审:郭军