中國克隆出玉米抗病基因：抗擊紋枯病的曙光_風聞

水稻、小麥、玉米，三大主糧“通吃”。

擁有這種“神通”的就是紋枯病，它通常悄悄地從作物基部葉鞘發生，嚴重時可引起整個植株枯死。水稻和小麥紋枯病是生產上最普遍最嚴重的病害之一，而玉米紋枯病發病面積逐年增多，有時可達70%以上。

對紋枯病抗性資源的篩選和抗病基因的鑑定與克隆，受到科學界廣泛關注，但相關研究工作進展緩慢。

北京時間10月1日，《自然-遺傳學》雜誌在線發表了山東農業大學教授儲昭輝課題組聯合華中農業大學教授嚴建兵課題組的最新研究成果。他們成功從玉米中克隆了針對紋枯病的抗病基因，並揭示了該基因產物通過調控細胞壁重要組分木質素合成而增強植物抗病性的新機制。

這為抗擊紋枯病帶來了新的曙光。

山東農業大學儲昭輝教授

在玉米中另闢蹊徑

10年前，儲昭輝在山東農業大學向紋枯病“宣戰”時，和全世界大多數科學家一樣，也寄希望於水稻這種模式作物。一方面是因為水稻紋枯病發病廣泛而嚴重，造成的損失巨大，利用水稻做研究有利於儘快將成果付諸實踐；另一方面是因為水稻作為模式作物，其研究成果能較快的借鑑到其他作物上，以期幫助攻克其他作物上的紋枯病。

然而，水稻紋枯病的研究進展並未像科學家預料的那樣順利。

四川農業大學教授陳學偉介紹，作物對紋枯病的抗性屬於多基因控制的數量性狀（QTL)，在模式作物水稻中，科學家未能克隆出紋枯病數量抗性基因，僅發現少量基因調控紋枯病抗性反應，其介導的抗性機制也不清楚。

而由於缺乏很好的抗病親本材料、表型精確鑑定難等原因，之前在玉米紋枯病基因克隆方面也沒有取得實質性進展。

嚴建兵分析，研究數量性狀基因，植物表型（可視的性狀）數據需要極度精確可靠。水稻叢生、小麥分孽，由於它們的節間較短，葉鞘抱杆較緊，人工接種紋枯病菌後的感染數據，在不同植株間甚至同一植株不同分櫱間的誤差較大，容易出差錯。

“世界上許多實驗室都在研究紋枯病數量性狀基因，卻難以取得突破，這是重要原因。”嚴建兵告訴《中國科學報》。

經過幾年摸索後，2011年，儲昭輝決定把研究對象從水稻改為玉米。從此開始了玉米紋枯病的“八年抗戰”。

華中農業大學嚴建兵教授

從玉米回到水稻

“做數量性狀研究，由於基因的效應小，最難的是如何降低技術誤差。因為玉米的每個莖節相對比較長，接種病原操作簡單，可以有效保障時間上的一致性。”儲昭輝告訴《中國科學報》，誤差最容易產生的環節是從接種點莖節到下一個莖節之間的擴展，而同一個莖節在一定時間內誤差相對更小。

所以，他們把玉米自交系接種紋枯病菌5天后的病斑長度作為一個遺傳因子進行測定，確定了單位時間內單個莖節內的病斑擴展長度，也就是把遺傳因子定量化了。

“這是很好的技術改進，加上玉米羣體做關聯分析的優勢，《自然-遺傳學》審稿人對我們這個方法非常欣賞。”儲昭輝説。

在嚴建兵支持下，儲昭輝課題組利用玉米重組自交系自然羣體，調查了318份重測序的玉米自交系接種紋枯病菌5天后的病斑長度，通過全基因組關聯分析等方法，對控制病斑擴展的QTL位點進行定位。

最終，他們鑑定出28個與紋枯病抗性顯著相關的SNP位點，並發現位於第4號染色體的ZmFBL41基因與抗性的關聯最為顯著。

紋枯病抗性鑑定結果表明，轉座子Mu插入突變體，降低了ZmFBL41轉錄水平。相比於對照材料，植株表現出較強的抗性。

這個基因不僅控制着玉米對紋枯病的抗性，而且類似基因在水稻、小麥等作物中也存在。“在叢生的水稻中確定一個數量性狀基因很難，但是用這個玉米中的已知基因再去研究水稻紋枯病，就順暢直接了許多。”儲昭輝説，在水稻中表達感病型玉米ZmFBL41基因，試驗植株比野生型植株更易感紋枯病，證明了該基因在水稻中也能發揮抗病作用。

玉米和水稻對紋枯病的抗性均有很高的保守性，所以，該成果為水稻、玉米以及其他作物抗紋枯病遺傳研究與改良提供了靶標。“該發現鑑定的系列自然等位變異的抗性資源，可直接用於改良和培育紋枯病抗性優良玉米新品種，為玉米和水稻等作物的抗病育種提供了重要資源和有效途徑。”陳學偉認為。

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最有效策略：利用寄主抗病性

紋枯病的病原叫做立枯絲核菌，屬於壞死營養型土傳性病害，非常頑固，在土壤中可存活長達數年，而且寄主廣泛。

中國農大植物病理系教授孫文獻説，儲昭輝團隊不但克隆了抗紋枯病的寶貴基因，還揭示了該基因產物通過泛素化調控細胞壁重要組分——木質素的合成，從而增強植物抗病性的新機制，闡釋了植物對死體營養型病害抗性的全新分子機制。

“利用寄主抗病性是防控紋枯病最有效的策略，也是未來紋枯病研究的重點與走向。”孫文獻認為。

植物表皮的木質素是其自身可抗病的因素之一，然而木質素的合成需要酶的廣泛參與，肉桂醇脱氫酶ZmCAD就是其中的關鍵酶。

儲昭輝團隊發現，ZmFBL41蛋白介導了肉桂醇脱氫酶ZmCAD的降解，從而降低了玉米葉鞘木質素的積累，使其更加易感紋枯病。研究的重點就是要破解阻止ZmCAD降解的天然遺傳變異之謎。

他們發現，ZmFBL41蛋白感病基因編碼的LRR結構域與ZmCAD互作，其木質素會被降解；而LRR結構域兩個關鍵氨基酸變異後，則會喪失與ZmCAD互作的能力，木質素就能源源不斷填補細胞壁。

接種紋枯病菌24到48小時後，玉米抗病自交系中木質素的含量顯著高於感病自交系。ZmFBL41基因通過LRR結構域的遺傳變異，逃脱了ZmCAD被分解的命運，維護、促進了木質素的合成，最終提高了植物的抗病性。

論文第一作者、山東農業大學副教授李寧告訴《中國科學報》，**“紋枯病分佈廣、危害大、抗源少，挖掘其抗病基因揭示抗性機理，這個工作非常有意義。”**李寧從讀博士跟隨儲昭輝開始的“八年抗戰”期間，潛心研究，在這個研究方向上沒有急於發論文。

儲昭輝回憶，他在華中農大求學期間，跟隨導師王石平教授，同樣也花了八年時間，首次從水稻中克隆隱性白葉枯病基因xa13。

如今，換了一個角色，換了一個地點，再用8年克隆了首個紋枯病抗病基因。“遺傳學，尤其是大田作物的遺傳學研究，每一項都堪比大工程，需要花費漫長的等待。”儲昭輝説。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41588-019-0503-y