Plant Cell [2021 IF12.09]中國農業(yè)科學(xué)院作物所發(fā)現黃酮類(lèi)物質(zhì)介導蕎麥—立枯絲核菌互作機制
與大多數常見(jiàn)的禾本科谷類(lèi)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(shí)也是我國干旱地區、高海拔貧困山區和彝族等少數民族聚集區的重要糧食作物和救災填閑作物。蕎麥營(yíng)養均衡，尤其是富含黃酮類(lèi)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(cháng)，也是鄉村旅游觀(guān)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)區西南地區的高溫多雨季節，嚴重威脅苦蕎穩產(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、干旱等不良氣候，并且可以侵染不同宿主，導致這一病原菌無(wú)法通過(guò)輪作等方式來(lái)消除，為立枯病的防治帶來(lái)了嚴重困難。前期研究發(fā)現，從野生蕎麥到栽培蕎麥的馴化過(guò)程中黃酮類(lèi)物質(zhì)含量顯著(zhù)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(zhù)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的黃酮類(lèi)物質(zhì)代謝參與調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)現苦蕎馴化過(guò)程中黃酮類(lèi)物質(zhì)含量及對立枯病的抗性均顯著(zhù)下降，通過(guò)群體基因組分析發(fā)現多個(gè)苦蕎馴化位點(diǎn)同時(shí)與黃酮類(lèi)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(jìn)行比較，發(fā)現該菌株具有豐富的致病基因。通過(guò)植物-真菌互作轉錄組鑒定出了一系列立枯絲核菌的致病基因及苦蕎響應立枯絲核菌的基因。對差異表達基因進(jìn)行功能注釋發(fā)現苦蕎中有許多茉莉酸（Jasmonate acid，JA）合成和信號轉導通路的關(guān)鍵基因在受立枯絲核菌侵染后顯著(zhù)差異表達，暗示了JA信號通路可能在苦蕎響應立枯絲核菌侵染過(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320份苦蕎核心種質(zhì)資源的抗病性進(jìn)行了檢測，發(fā)現苦蕎種質(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據進(jìn)行GWAS研究，共鑒定到7條染色體上的16個(gè)區間的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(zhù)差異表達，并且與黃酮類(lèi)物質(zhì)合成代謝調控密切相關(guān)。
進(jìn)一步研究發(fā)現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(zhù)差異表達，并且過(guò)表達該基因可顯著(zhù)提高植物的抗病性。通過(guò)對過(guò)表達植株進(jìn)行代謝組檢測發(fā)現，FtCYP94C1可顯著(zhù)提高黃酮類(lèi)物質(zhì)蘆丁的含量。前期已有研究表明黃酮類(lèi)物質(zhì)蘆丁具有提高植物抗病性的能力，推測FtCYP94C1可能通過(guò)提高黃酮類(lèi)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)現受JA誘導顯著(zhù)差異表達的絲氨酸羥甲基轉移酶FtSHMT，該蛋白可參與黃酮類(lèi)物質(zhì)代謝。通過(guò)篩選FtSHMT的互作蛋白發(fā)現FtSHMT可與立枯絲核菌毒力蛋白阿糖醇2-脫氫酶RsDAD互作。亞細胞定位結果顯示RsDAD可定位于植物細胞核，并且該毒力蛋白可促進(jìn)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(guò)整合群體遺傳學(xué)與轉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(huì )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(diǎn)國際合作項目、三亞崖州灣菁英人才科技專(zhuān)項科技城項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、歐盟地平線(xiàn)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 彩虹預染寬分子量蛋白Marker（10-260KD）