Plant Cell [2021 IF12.09]中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所發(fā)現(xiàn)黃酮類物質(zhì)介導(dǎo)蕎麥—立枯絲核菌互作機(jī)制
與大多數(shù)常見的禾本科谷類作物不同，蕎麥隸屬于蓼科蕎麥屬，是一種起源于我國(guó)的重要雜糧作物。蕎麥廣泛分布于世界各地，同時(shí)也是我國(guó)干旱地區(qū)、高海拔貧困山區(qū)和彝族等少數(shù)民族聚集區(qū)的重要糧食作物和救災(zāi)填閑作物。蕎麥營(yíng)養(yǎng)均衡，尤其是富含黃酮類物質(zhì)蘆丁等活性成分，是三高人群、心腦血管疾病及多種慢性病患者的重要健康食品。蕎麥花大、顏色鮮艷多樣且花期長(zhǎng)，也是鄉(xiāng)村旅游觀光、多產(chǎn)融合不可或缺的重要載體。
蕎麥立枯病是蕎麥重要的病害之一，多發(fā)生于我國(guó)苦蕎主產(chǎn)區(qū)西南地區(qū)的高溫多雨季節(jié)，嚴(yán)重威脅苦蕎穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)。立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）是蕎麥立枯病的病原菌，是一種極具破壞性的土傳病原菌，可引起水稻紋枯病、馬鈴薯黑痣病和大豆根腐病等。該病原菌可抵抗高溫、干旱等不良?xì)夂颍⑶铱梢郧秩静煌拗?，?dǎo)致這一病原菌無(wú)法通過(guò)輪作等方式來(lái)消除，為立枯病的防治帶來(lái)了嚴(yán)重困難。前期研究發(fā)現(xiàn)，從野生蕎麥到栽培蕎麥的馴化過(guò)程中黃酮類物質(zhì)含量顯著降低，并且可能與蕎麥對(duì)立枯絲核菌的敏感性密切相關(guān)（Zhao et al., Plant Biotechnol J, 2023），但是其背后的分子機(jī)制尚不清楚。
近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所蕎麥基因資源創(chuàng)新研究組周美亮研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名期刊The Plant Cell上發(fā)表了題為“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，利用多組學(xué)方法揭示了茉莉酸誘導(dǎo)的黃酮類物質(zhì)代謝參與調(diào)控苦蕎對(duì)立枯絲核菌抗性的分子機(jī)制。
該課題組前期發(fā)現(xiàn)苦蕎立枯絲核菌病原菌株AG4-HGI 3的寄主范圍十分廣泛，可侵染禾本科、十字花科、葫蘆科、豆科、茄科和莧科等多種重要糧食和經(jīng)濟(jì)作物，毒性較強(qiáng)。此外，還發(fā)現(xiàn)苦蕎馴化過(guò)程中黃酮類物質(zhì)含量及對(duì)立枯病的抗性均顯著下降，通過(guò)群體基因組分析發(fā)現(xiàn)多個(gè)苦蕎馴化位點(diǎn)同時(shí)與黃酮類物質(zhì)代謝和抗病性密切相關(guān)（Zhang et al., Genome Biol, 2021; Zhao et al., Plant Biotechnol J, 2023）。為了解析該病原菌侵染苦蕎的分子機(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(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該菌株具有豐富的致病基因。通過(guò)植物-真菌互作轉(zhuǎn)錄組鑒定出了一系列立枯絲核菌的致病基因及苦蕎響應(yīng)立枯絲核菌的基因。對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行功能注釋發(fā)現(xiàn)苦蕎中有許多茉莉酸（Jasmonate acid，JA）合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的關(guān)鍵基因在受立枯絲核菌侵染后顯著差異表達(dá)，暗示了JA信號(hào)通路可能在苦蕎響應(yīng)立枯絲核菌侵染過(guò)程中起關(guān)鍵作用。
為了進(jìn)一步挖掘抗病候選基因，課題組對(duì)320份苦蕎核心種質(zhì)資源的抗病性進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)苦蕎種質(zhì)資源的抗病性具有高度的變異性，為培育抗病性高的苦蕎品種提供了寶貴的遺傳材料。利用苦蕎種質(zhì)資源的全基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行GWAS研究，共鑒定到7條染色體上的16個(gè)區(qū)間的790個(gè)與抗病相關(guān)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后均顯著差異表達(dá)，并且與黃酮類物質(zhì)合成代謝調(diào)控密切相關(guān)。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)JA合成代謝通路關(guān)鍵酶基因FtCYP94C1在苦蕎受立枯絲核菌侵染后及茉莉酸處理后均顯著差異表達(dá)，并且過(guò)表達(dá)該基因可顯著提高植物的抗病性。通過(guò)對(duì)過(guò)表達(dá)植株進(jìn)行代謝組檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，FtCYP94C1可顯著提高黃酮類物質(zhì)蘆丁的含量。前期已有研究表明黃酮類物質(zhì)蘆丁具有提高植物抗病性的能力，推測(cè)FtCYP94C1可能通過(guò)提高黃酮類物質(zhì)蘆丁的含量來(lái)幫助苦蕎抵抗立枯絲核菌的侵染。
此外，該研究還發(fā)現(xiàn)受JA誘導(dǎo)顯著差異表達(dá)的絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶FtSHMT，該蛋白可參與黃酮類物質(zhì)代謝。通過(guò)篩選FtSHMT的互作蛋白發(fā)現(xiàn)FtSHMT可與立枯絲核菌毒力蛋白阿糖醇2-脫氫酶RsDAD互作。亞細(xì)胞定位結(jié)果顯示RsDAD可定位于植物細(xì)胞核，并且該毒力蛋白可促進(jìn)立枯絲核菌侵染植物，推測(cè)RsDAD與FtSHMT的互作可能對(duì)立枯絲核菌侵染苦蕎植株至關(guān)重要。
綜上，該研究通過(guò)整合群體遺傳學(xué)與轉(zhuǎn)錄組和代謝組等多種組學(xué)方法，揭示了立枯絲核菌與苦蕎互作的分子機(jī)制，為重要糧食和經(jīng)濟(jì)作物抗病分子育種提供了重要的基因資源。
中國(guó)農(nóng)科院作物科學(xué)研究所助理研究員何毓琦、副研究員張凱旋、已畢業(yè)博士李世娟、博士生盧翔、已畢業(yè)博士趙輝、博士后關(guān)超男和黃旭為該論文第一作者，周美亮研究員為通訊作者。此外，貴州大學(xué)程劍平教授、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)徐秉良教授、英國(guó)南安普頓大學(xué)雜糧作物研究中心主任Mark A. Chapman教授、保加利亞科學(xué)院Milen I. Georgiev教授、德國(guó)馬普學(xué)會(huì)分子植物生理學(xué)研究所Alisdair R. Fernie教授也參與了該項(xiàng)研究。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)國(guó)際合作項(xiàng)目、三亞崖州灣菁英人才科技專項(xiàng)科技城項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、歐盟地平線2020項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koad118
該項(xiàng)研究中使用了公司以下產(chǎn)品：
RTD6106 彩虹預(yù)染寬分子量蛋白Marker（10-260KD）