Plant Cell [2021 IF12.09]中國(guó)農業科(kē)學院作(zuò)物所發現黃(huáng)酮類物質介導荞麥—立枯絲核菌互作(zuò)機(jī)制
與大(dà)多數常見(jiàn)的禾本科(kē)谷類作(zuò)物不同，荞麥隸屬于蓼科(kē)荞麥屬，是一種起源于我國(guó)的重要雜糧作(zuò)物。荞麥廣泛分(fēn)布于世界各地，同時也是我國(guó)幹旱地區、高海拔貧困山(shān)區和彜族等少數民(mín)族聚集區的重要糧食作(zuò)物和救災填閑作(zuò)物。荞麥營養均衡，尤其是富含黃(huáng)酮類物質蘆丁等活性成分(fēn)，是三高人(rén)群、心腦血管疾病及多種慢(màn)性病患者的重要健康食品。荞麥花大(dà)、顔色鮮豔多樣且花期長，也是鄉村旅遊觀光(guāng)、多産融合不可(kě)或缺的重要載體(tǐ)。
荞麥立枯病是荞麥重要的病害之一，多發生(shēng)于我國(guó)苦荞主産區西南(nán)地區的高溫多雨(yǔ)季節，嚴重威脅苦荞穩産、增産。立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）是荞麥立枯病的病原菌，是一種極具破壞性的土(tǔ)傳病原菌，可(kě)引起水稻紋枯病、馬鈴薯黑(hēi)痣病和大(dà)豆根腐病等。該病原菌可(kě)抵抗高溫、幹旱等不良氣候，并且可(kě)以侵染不同宿主，導緻這一病原菌無法通過輪作(zuò)等方式來(lái)消除，爲立枯病的防治帶來(lái)了嚴重困難。前期研究發現，從(cóng)野生(shēng)荞麥到栽培荞麥的馴化過程中黃(huáng)酮類物質含量顯著降低，并且可(kě)能與荞麥對立枯絲核菌的敏感性密切相(xiàng)關（Zhao et al., Plant Biotechnol J, 2023），但(dàn)是其背後的分(fēn)子機(jī)制尚不清楚。
近日(rì)，中國(guó)農業科(kē)學院作(zuò)物科(kē)學研究所荞麥基因資源創新研究組周美亮研究員(yuán)團隊在國(guó)際著名期刊The Plant Cell上發表了題爲“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(huáng)酮類物質代謝參與調控苦荞對立枯絲核菌抗性的分(fēn)子機(jī)制。
該課題組前期發現苦荞立枯絲核菌病原菌株AG4-HGI 3的寄主範圍十分(fēn)廣泛，可(kě)侵染禾本科(kē)、十字花科(kē)、葫蘆科(kē)、豆科(kē)、茄科(kē)和苋科(kē)等多種重要糧食和經濟作(zuò)物，毒性較強。此外，還(hái)發現苦荞馴化過程中黃(huáng)酮類物質含量及對立枯病的抗性均顯著下降，通過群體(tǐ)基因組分(fēn)析發現多個苦荞馴化位點同時與黃(huáng)酮類物質代謝和抗病性密切相(xiàng)關（Zhang et al., Genome Biol, 2021; Zhao et al., Plant Biotechnol J, 2023）。爲了解析該病原菌侵染苦荞的分(fēn)子機(jī)制，課題組首先組裝了AG4-HGI 3菌株的基因組，并與其他(tā)菌株進行比較，發現該菌株具有豐富的緻病基因。通過植物-真菌互作(zuò)轉錄組鑒定出了一系列立枯絲核菌的緻病基因及苦荞響應立枯絲核菌的基因。對差異表達基因進行功能注釋發現苦荞中有許多茉莉酸（Jasmonate acid，JA）合成和信号轉導通路(lù)的關鍵基因在受立枯絲核菌侵染後顯著差異表達，暗示了JA信号通路(lù)可(kě)能在苦荞響應立枯絲核菌侵染過程中起關鍵作(zuò)用。
爲了進一步挖掘抗病候選基因，課題組對320份苦荞核心種質資源的抗病性進行了檢測，發現苦荞種質資源的抗病性具有高度的變異性，爲培育抗病性高的苦荞品種提供了寶貴的遺傳材料。利用苦荞種質資源的全基因組重測序數據進行GWAS研究，共鑒定到7條染色體(tǐ)上的16個區間的790個與抗病相(xiàng)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(lǐ)後均顯著差異表達，并且與黃(huáng)酮類物質合成代謝調控密切相(xiàng)關。
進一步研究發現JA合成代謝通路(lù)關鍵酶基因FtCYP94C1在苦荞受立枯絲核菌侵染後及茉莉酸處理(lǐ)後均顯著差異表達，并且過表達該基因可(kě)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現，FtCYP94C1可(kě)顯著提高黃(huáng)酮類物質蘆丁的含量。前期已有研究表明黃(huáng)酮類物質蘆丁具有提高植物抗病性的能力，推測FtCYP94C1可(kě)能通過提高黃(huáng)酮類物質蘆丁的含量來(lái)幫助苦荞抵抗立枯絲核菌的侵染。
此外，該研究還(hái)發現受JA誘導顯著差異表達的絲氨酸羟甲基轉移酶FtSHMT，該蛋白(bái)可(kě)參與黃(huáng)酮類物質代謝。通過篩選FtSHMT的互作(zuò)蛋白(bái)發現FtSHMT可(kě)與立枯絲核菌毒力蛋白(bái)阿糖醇2-脫氫酶RsDAD互作(zuò)。亞細胞定位結果顯示RsDAD可(kě)定位于植物細胞核，并且該毒力蛋白(bái)可(kě)促進立枯絲核菌侵染植物，推測RsDAD與FtSHMT的互作(zuò)可(kě)能對立枯絲核菌侵染苦荞植株至關重要。
綜上，該研究通過整合群體(tǐ)遺傳學與轉錄組和代謝組等多種組學方法，揭示了立枯絲核菌與苦荞互作(zuò)的分(fēn)子機(jī)制，爲重要糧食和經濟作(zuò)物抗病分(fēn)子育種提供了重要的基因資源。
中國(guó)農科(kē)院作(zuò)物科(kē)學研究所助理(lǐ)研究員(yuán)何毓琦、副研究員(yuán)張凱旋、已畢業博士李世娟、博士生(shēng)盧翔、已畢業博士趙輝、博士後關超男和黃(huáng)旭爲該論文第一作(zuò)者，周美亮研究員(yuán)爲通訊作(zuò)者。此外，貴州大(dà)學程劍平教授、甘肅農業大(dà)學徐秉良教授、英國(guó)南(nán)安普頓大(dà)學雜糧作(zuò)物研究中心主任Mark A. Chapman教授、保加利亞科(kē)學院Milen I. Georgiev教授、德國(guó)馬普學會分(fēn)子植物生(shēng)理(lǐ)學研究所Alisdair R. Fernie教授也參與了該項研究。該研究獲得(de)了國(guó)家自(zì)然科(kē)學基金委重點國(guó)際合作(zuò)項目、三亞崖州灣菁英人(rén)才科(kē)技專項科(kē)技城(chéng)項目、國(guó)家重點研發計(jì)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産品：
RTD6106 彩虹預染寬分(fēn)子量蛋白(bái)Marker（10-260KD）