北京时间2024年1月18日18时，Nature Genetics在线发表了中国农业大学教授徐明良团队的研究文章。该文详细阐述了玉米重要叶部病害—灰斑病的抗病基因ZmWAKL的克隆及其介导的复杂抗病分子机制。

研究指出，抗病基因编码蛋白ZmWAKL能够快速响应病原菌的入侵，并通过其共受体ZmWIK和细胞质类受体激酶ZmBLK1将磷酸化信号传递至ZmRBOH4，最终触发活性氧爆发，引发抗病反应。

植物具有一套复杂的防御机制，用以接收和传导免疫信号并激发抗病反应。植物模式识别受体（Plant Pattern Recognition Receptors, PRRs）是一类位于细胞质膜上的受体蛋白，能感知病原体入侵并触发寄主免疫响应，如活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的爆发。细胞壁相关激酶（Wall-Associated Kinases, WAKs)和WAK类激酶（WAK-Like Kinases, WAKLs）构成一种新的植物PRRs类别，在植物抵御多种真菌病害过程中扮演着重要的角色。然而，其具体的抗性分子机制目前仍然不甚清楚。

玉米灰斑病是一种严重危害玉米的叶部病害，由真菌Cercospora zeae-maydis和Cercospora zeina侵染引起。自上世纪20年代在美国首次发现以来，这一病害已在全球范围内扩散，对玉米生产造成严重影响。在我国，尤其是东北和西南玉米种植产区，玉米灰斑病是近年继大、小斑病后上升最快、为害最重的叶部病害。通过抗病育种提高玉米对灰斑病的抗性是实施病害绿色防控的一个重要策略。因此，不断挖掘新的抗病资源、深入研究抗病机理、剖析病害发生发展过程中的复杂分子互作机制，对于抗病分子育种、培育抗病新品种至关重要。

图1：玉米灰斑病田间表型（云南保山）

近日，徐明良教授团队在玉米灰斑病的抗病基因克隆与抗病机制解析方面取得了重大突破。在之前的研究中，该团队在高抗玉米自交系Y32中鉴定到一个主效数量抗病位点qRgls1。该位点能够显著提高玉米对灰斑病的抗性。在后续研究中，该团队经过多年的精细定位和转基因功能验证，成功克隆该位点的功能基因ZmWAKL。该基因编码一个WAK类受体激酶。除了利用转基因互补和转基因过表达实验验证其功能外，团队还利用抗病基因的胞外结构域替换感病基因的胞外结构域，构建了嵌合体基因，这一方法巧妙地验证了胞外结构域在抗病反应中的关键作用。

图2: qRgls1精细定位

对抗病功能位点的进一步研究发现，该位点抗病等位基因编码的ZmWAKLY能够形成二聚体，并在质膜上与其共受体ZmWIK（一个富含亮氨酸重复的类受体激酶）结合，形成ZmWAKLY/ZmWIK免疫复合体。该复合体进而与细胞质类受体激酶ZmBLK1相互作用，并由ZmBLK1将免疫信号汇聚至质膜上的NADPH氧化酶ZmRBOH4。当ZmWAKLY感知到病原菌入侵时，其磷酸化活性迅速增加，从而触发从ZmWAKLY到ZmWIK、ZmBLK1，最终到ZmRBOH4的免疫信号传导链，结果引发活性氧的爆发，表现出抗病特性。

图3：ZmWAKL介导的抗病模型

中国农业大学徐明良课题组博士后钟涛为第一作者，徐明良教授为通讯作者。课题组朱芒博士、张倩倩博士、邓穗宁博士和博士生郭晨煜提供了大量的帮助和建议，吉林农科院张艳研究员和中国农大生物学院徐凌教授为项目的成功奠定了坚实的QTL定位基础。

此外，在项目实施过程中，云南省农科院番兴明研究员、毕亚琪博士以及保山市农科院高级农艺师李琰聪、谢志坚、刘婷婷提供了材料和田间管理；美国北卡州立大学Peter Balint-Kurti为项目提供了宝贵的意见和见解。中国农大毕国志教授和朱旺升教授在文章的撰写和修订过程中提出了重要建议。该研究得到了科技部“十四五重点研发计划“项目的资助。

徐明良教授团队多年来致力于玉米抗病功能基因组学研究，探究玉米复杂的抗病免疫反应机制，克隆了一系列重要玉米病害的抗病功能基因，并在生产中大量的推广利用。徐明良教授团队的工作为玉米抗病分子育种奠定了基础，也丰富了人们对植物数量抗性机制的认识。

相关论文信息：

DOI：10.1038/s41588-023-01644-z