近日，我院植物免疫團隊以西北農(nóng)林科技大學為第一單位在國際權(quán)威學術(shù)期刊The Plant Cell發(fā)表了題為“Transcriptional Repression of TaNOX10 by TaWRKY19 Compromises ROS Generation and Enhances Wheat Susceptibility to Stripe Rust”的研究論文。該研究鑒定了一個小麥易感條銹病基因TaWRKY19，揭示了在小麥與條銹菌互作中TaWRKY19通過轉(zhuǎn)錄抑制 TaNOX10 的表達調(diào)控活性氧平衡引致小麥感條銹病新機制，并通過編輯感病基因創(chuàng)制了抗病材料。
在正常條件下植物細胞活性氧產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡中，活性氧的水平很低，不會傷害細胞。活性氧（ROS）可以直接抑制病菌的生長，也可以作為信號分子參與抗病過程，ROS的快速產(chǎn)生是植物防御系統(tǒng)激活的一個重要標志。小麥受到條銹菌（ Puccinia striiformis ）無毒性小種入侵時，ROS快速積累，病菌侵染部位的局部細胞壞死，阻止抑制病菌從寄主小麥中掠奪養(yǎng)分，小麥表現(xiàn)為抗病。當然，ROS的無限制積累會勢必影響其自身的生長發(fā)育，甚至威脅小麥自身的生存。那么小麥是如何精準調(diào)控ROS的積累，既能達到阻滯病菌生長，又能避免過度影響自生的生長發(fā)育？模式植物中ROS受到磷酸化或轉(zhuǎn)錄激活的的調(diào)控機制研究已有廣泛報道，但是關(guān)于ROS的抑制尤其是直接調(diào)控抑制還不清楚。
針對上述問題，我們首先利用模式植物短柄草進行了大規(guī)模的篩選工作，鑒定到候選的轉(zhuǎn)錄因子基因 BdWRKY67 ，其RNAi植株能夠顯著提高對短柄草銹菌的抗性，然后，在小麥上鑒定到了其同源基因 TaWRKY19 。通過病毒誘導(dǎo)的基因沉默和RNAi干擾技術(shù)明確了 TaWRKY19 負調(diào)控小麥對條銹病的抗性。為揭示 TaWRKY19 所介導(dǎo)的負調(diào)控機制，通過轉(zhuǎn)錄組測分析及 Chip-qPCR 技術(shù)，篩選到TaWRKY19調(diào)控的基因 TaNOX10 ，并利用EMSA及雙熒光素酶報告系統(tǒng)驗證了 TaWRKY19 能夠結(jié)合到 TaNOX10 啟動子區(qū)并發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制作用。在小麥植株敲除 TaNOX10 基因，胞外的ROS濃度顯著減少，明確了 TaNOX10 通過促進ROS的產(chǎn)生從而參與到小麥對條銹菌的抗性中。遺傳學實驗證實 TaWRKY19 能夠與 TaNOX10 啟動子中的W-box元件特異結(jié)合，轉(zhuǎn)錄抑制 TaNOX10 基因的表達，進而揭示了 TaWRKY19 所介導(dǎo)的感病機制。
小麥條銹病是小麥生產(chǎn)上危害最重的病害之一，長期威脅著我國的糧食安全。選育并合理布局抗病品種是生產(chǎn)上防治條銹病最為有效、經(jīng)濟的措施。然而，生產(chǎn)上抗病性利用中面臨的主要問題是小麥品種常因條銹菌的毒性頻繁變異而“喪失”抗性。本研究探索利用CRISPR-Cas9 技術(shù)編輯 TaWRKY19 易感條銹病基因，成功獲得了具有廣譜抗性的小麥材料，展現(xiàn)了 TaWRKY19 在小麥抗條銹病品種創(chuàng)制中潛在的應(yīng)用價值。這對于解決生產(chǎn)上小麥材料抗性頻繁喪失問題提供了一種行之有效的途徑。
圖 TaWRKY19 對 TaNOX10 的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模型
西北農(nóng)林科技大學博士后王寧為論文的第一作者，王曉杰教授為論文的通訊作者，康振生院士為論文的共同作者。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞研究員和旱區(qū)作物逆境生物學國家重點實驗室小麥轉(zhuǎn)基因平臺黃雪玲副研究員對小麥基因編輯和轉(zhuǎn)基因的材料的創(chuàng)制提供了大力支持和幫助。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目，陜西省創(chuàng)新團隊，國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，陜西省國際合作和111項目的資助。
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https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac001/6499280
