Plant Cell [2021 IF12.09]中國農(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，是一種起源于我國的重要雜糧作物。蕎麥廣泛分布于世界各地，同時也是我國干旱地區(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，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?，并且可以侵染不同宿主，?dǎo)致這一病原菌無法通過輪作等方式來消除，為立枯病的防治帶來了嚴(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程中黃酮類物質(zhì)含量顯著降低，并且可能與蕎麥對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制尚不清楚。
近日，中國農(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隊在國際著名期刊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)控苦蕎對立枯絲核菌抗性的分子機制。
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)濟作物，毒性較強。此外，還發(fā)現(xiàn)苦蕎馴化過程中黃酮類物質(zhì)含量及對立枯病的抗性均顯著下降，通過群體基因組分析發(fā)現(xiàn)多個苦蕎馴化位點同時與黃酮類物質(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(fā)現(xiàn)該菌株具有豐富的致病基因。通過植物-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。對差異表達(dá)基因進行功能注釋發(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信號通路可能在苦蕎響應(yīng)立枯絲核菌侵染過程中起關(guān)鍵作用。
為了進一步挖掘抗病候選基因，課題組對320份苦蕎核心種質(zhì)資源的抗病性進行了檢測，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序數(shù)據(jù)進行GWAS研究，共鑒定到7條染色體上的16個區(qū)間的790個與抗病相關(guān)的候選基因，其中106個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)，并且過表達(dá)該基因可顯著提高植物的抗病性。通過對過表達(dá)植株進行代謝組檢測發(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FtCYP94C1可能通過提高黃酮類物質(zhì)蘆丁的含量來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立枯絲核菌侵染植物，推測RsDAD與FtSHMT的互作可能對立枯絲核菌侵染苦蕎植株至關(guān)重要。
綜上，該研究通過整合群體遺傳學(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制，為重要糧食和經(jīng)濟作物抗病分子育種提供了重要的基因資源。
中國農(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、德國馬普學(xué)會分子植物生理學(xué)研究所Alisdair R. Fernie教授也參與了該項研究。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金委重點國際合作項目、三亞崖州灣菁英人才科技專項科技城項目、國家重點研發(fā)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產(chǎn)品：
RTD6106 彩虹預(yù)染寬分子量蛋白Marker（10-260KD）