Plant Cell [2021 IF12.09]中國(guó)農業(yè)科學院作物(wù)所發現黃酮類物(wù)質介導荞麥—立枯絲核菌互作機(jī)制
與大多(duō)數常見(jiàn)的禾本科谷類作物(wù)不同，荞麥隸屬于蓼科荞麥屬，是一(yī)種起源于我國(guó)的重要雜(zá)糧作物(wù)。荞麥廣泛分布于世界各地，同時也是我國(guó)幹旱地區、高(gāo)海拔貧困山區和彜族等少數民(mín)族聚集區的重要糧食作物(wù)和救災填閑作物(wù)。荞麥營養均衡，尤其是富含黃酮類物(wù)質蘆丁等活性成分，是三高(gāo)人群、心腦(nǎo)血管疾病及多(duō)種慢(màn)性病患者的重要健康食品。荞麥花大、顔色鮮豔多(duō)樣且花期長(cháng)，也是鄉村(cūn)旅遊觀光(guāng)、多(duō)産融合不可或缺的重要載體。
荞麥立枯病是荞麥重要的病害之一(yī)，多(duō)發生(shēng)于我國(guó)苦荞主産區西(xī)南(nán)地區的高(gāo)溫多(duō)雨季節，嚴重威脅苦荞穩産、增産。立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）是荞麥立枯病的病原菌，是一(yī)種極具破壞性的土(tǔ)傳病原菌，可引起水(shuǐ)稻紋枯病、馬鈴薯黑(hēi)痣病和大豆根腐病等。該病原菌可抵抗高(gāo)溫、幹旱等不良氣候，并且可以侵染不同宿主，導緻這一(yī)病原菌無法通(tōng)過輪作等方式來消除，為(wèi)立枯病的防治帶來了嚴重困難。前期研究發現，從(cóng)野生(shēng)荞麥到(dào)栽培荞麥的馴化過程中黃酮類物(wù)質含量顯著降低(dī)，并且可能(néng)與荞麥對立枯絲核菌的敏感性密切相(xiàng)關（Zhao et al., Plant Biotechnol J, 2023），但是其背後的分子機(jī)制尚不清楚。
近日，中國(guó)農業(yè)科學院作物(wù)科學研究所荞麥基因資源創新研究組周美亮研究員(yuán)團隊在國(guó)際著名期刊The Plant Cell上(shàng)發表了題為(wèi)“Multi-omics analysis reveals the molecular mechanisms underlying virulence in Rhizoctonia and jasmonic acid–mediated resistance in Tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum)”的研究型論文，利用多(duō)組學方法揭示了茉莉酸誘導的黃酮類物(wù)質代謝參與調控苦荞對立枯絲核菌抗性的分子機(jī)制。
該課題組前期發現苦荞立枯絲核菌病原菌株AG4-HGI 3的寄主範圍十分廣泛，可侵染禾本科、十字花科、葫蘆科、豆科、茄科和苋科等多(duō)種重要糧食和經濟作物(wù)，毒性較強。此外，還(hái)發現苦荞馴化過程中黃酮類物(wù)質含量及對立枯病的抗性均顯著下(xià)降，通(tōng)過群體基因組分析發現多(duō)個(gè)苦荞馴化位點同時與黃酮類物(wù)質代謝和抗病性密切相(xiàng)關（Zhang et al., Genome Biol, 2021; Zhao et al., Plant Biotechnol J, 2023）。為(wèi)了解析該病原菌侵染苦荞的分子機(jī)制，課題組首先組裝了AG4-HGI 3菌株的基因組，并與其他菌株進行比較，發現該菌株具有豐富的緻病基因。通(tōng)過植物(wù)-真菌互作轉錄組鑒定出了一(yī)系列立枯絲核菌的緻病基因及苦荞響應立枯絲核菌的基因。對差異表達基因進行功能(néng)注釋發現苦荞中有許多(duō)茉莉酸（Jasmonate acid，JA）合成和信号轉導通(tōng)路(lù)的關鍵基因在受立枯絲核菌侵染後顯著差異表達，暗(àn)示了JA信号通(tōng)路(lù)可能(néng)在苦荞響應立枯絲核菌侵染過程中起關鍵作用。
為(wèi)了進一(yī)步挖掘抗病候選基因，課題組對320份苦荞核心種質資源的抗病性進行了檢測，發現苦荞種質資源的抗病性具有高(gāo)度的變異性，為(wèi)培育抗病性高(gāo)的苦荞品種提供了寶貴的遺傳材料。利用苦荞種質資源的全基因組重測序數據進行GWAS研究，共鑒定到(dào)7條染色體上(shàng)的16個(gè)區間的790個(gè)與抗病相(xiàng)關的候選基因，其中106個(gè)基因在立枯絲核菌侵染及茉莉酸甲酯處理後均顯著差異表達，并且與黃酮類物(wù)質合成代謝調控密切相(xiàng)關。
進一(yī)步研究發現JA合成代謝通(tōng)路(lù)關鍵酶基因FtCYP94C1在苦荞受立枯絲核菌侵染後及茉莉酸處理後均顯著差異表達，并且過表達該基因可顯著提高(gāo)植物(wù)的抗病性。通(tōng)過對過表達植株進行代謝組檢測發現，FtCYP94C1可顯著提高(gāo)黃酮類物(wù)質蘆丁的含量。前期已有研究表明黃酮類物(wù)質蘆丁具有提高(gāo)植物(wù)抗病性的能(néng)力，推測FtCYP94C1可能(néng)通(tōng)過提高(gāo)黃酮類物(wù)質蘆丁的含量來幫助苦荞抵抗立枯絲核菌的侵染。
此外，該研究還(hái)發現受JA誘導顯著差異表達的絲氨酸羟甲基轉移酶FtSHMT，該蛋白(bái)可參與黃酮類物(wù)質代謝。通(tōng)過篩選FtSHMT的互作蛋白(bái)發現FtSHMT可與立枯絲核菌毒力蛋白(bái)阿糖醇2-脫氫酶RsDAD互作。亞細胞定位結果顯示RsDAD可定位于植物(wù)細胞核，并且該毒力蛋白(bái)可促進立枯絲核菌侵染植物(wù)，推測RsDAD與FtSHMT的互作可能(néng)對立枯絲核菌侵染苦荞植株至關重要。
綜上(shàng)，該研究通(tōng)過整合群體遺傳學與轉錄組和代謝組等多(duō)種組學方法，揭示了立枯絲核菌與苦荞互作的分子機(jī)制，為(wèi)重要糧食和經濟作物(wù)抗病分子育種提供了重要的基因資源。
中國(guó)農科院作物(wù)科學研究所助理研究員(yuán)何毓琦、副研究員(yuán)張凱旋、已畢業(yè)博士李世娟、博士生(shēng)盧翔、已畢業(yè)博士趙輝、博士後關超男和黃旭為(wèi)該論文第一(yī)作者，周美亮研究員(yuán)為(wèi)通(tōng)訊作者。此外，貴州大學程劍平教授、甘肅農業(yè)大學徐秉良教授、英國(guó)南(nán)安普頓大學雜(zá)糧作物(wù)研究中心主任Mark A. Chapman教授、保加利亞科學院Milen I. Georgiev教授、德國(guó)馬普學會(huì)分子植物(wù)生(shēng)理學研究所Alisdair R. Fernie教授也參與了該項研究。該研究獲得了國(guó)家自(zì)然科學基金委重點國(guó)際合作項目、三亞崖州灣菁英人才科技(jì)專項科技(jì)城(chéng)項目、國(guó)家重點研發計劃、歐盟地平線2020項目等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koad118
該項研究中使用了公司以下(xià)産品：
RTD6106 彩虹預染寬分子量蛋白(bái)Marker（10-260KD）