Plant Cell [2021 IF12.09]中國農(nóng)業(yè)科學院作物所發(fā)現(xiàn)黃酮類物質(zhì)介導蕎麥—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、干旱等不良氣候，并且可以侵染不同宿主，導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（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)科學院作物科學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，利用多組學方法揭示了茉莉酸誘導的黃酮類物質(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（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立枯絲核菌的基因。對差異表達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)導通路的關鍵基因在受立枯絲核菌侵染后顯著差異表達，暗示了JA信號通路可能在苦蕎響應立枯絲核菌侵染過程中起關鍵作用。
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，并且與黃酮類物質(zhì)合成代謝調(diào)控密切相關。
進一步研究發(fā)現(xiàn)JA合成代謝通路關鍵酶基因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，并且過表達該基因可顯著提高植物的抗病性。通過對過表達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誘導顯著差異表達的絲氨酸羥甲基轉(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重要。
綜上，該研究通過整合群體遺傳學與轉(zhuǎn)錄組和代謝組等多種組學方法，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，貴州大學程劍平教授、甘肅農(nóng)業(yè)大學徐秉良教授、英國南安普頓大學雜糧作物研究中心主任Mark A. Chapman教授、保加利亞科學院Milen I. Georgiev教授、德國馬普學會分子植物生理學研究所Alisdair R. Fernie教授也參與了該項研究。該研究獲得了國家自然科學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 彩虹預染寬分子量蛋白Marker（10-260KD）