以下文章来源于植物学报 ，作者王钢, 王二涛
2023年6月8日，Cell 在线online新的一期文章，其中一篇文章来自中国科学院遗传与发育生物学研究所陈宇航和周俭民团队。另外当天Nature Genetics杂志在线发表了一篇植物科学相关的文章来自中国农业科学院作物科学研究所刁现民团队，这也是继上周发表Nature Communication之后又一重要进展。具体如下：
1. 2023年6月8日，Cell 在线发表了来自中国科学院遗传与发育生物学研究所陈宇航和周俭民团队题为“WeiTsing, a pericycle-expressed ion channel, safeguards the stele to confer clubroot resistance”的研究论文，该研究表明当根肿菌通过中柱鞘侵入中柱时, C6基因在中柱鞘细胞内上调表达, 并在内质网形成五聚化阳离子通道, 介导Ca2+从内质网到细胞质的转运, 激活下游防卫反应, 甚至诱导细胞坏死。拟南芥和油菜(Brassica napus)同属十字花科, 将拟南芥C6基因转化高感根肿病油菜品种后, 成功地赋予了其高效而广谱的根肿病抗性, 表明C6基因是油菜中优质的抗病基因资源。C6基因这种保护根部中柱的特性使研究者联想到我国西汉时期, 帮助汉武帝成功抗击匈奴入侵的军事统帅卫青, 兼有“保卫青菜”的含义, 遂将其命名为WTS (WeiTsing)。
十字花科(Cruciferae)植物包含许多重要的油料、饲料作物和蔬菜, 在我国分布广且种植面积大, 对粮油安全供给具有重要作用。根肿病(Clubroot)被称作“十字花科植物癌症”, 是一种由专性活体寄生的原生生物根肿病菌(Plasmodiophora brassicae)引起的土传性病害, 会使作物的根系形成大量肿瘤, 从而阻碍作物从土壤中吸收养分与水分, 严重时可导致整株作物枯死(Hwang et al., 2012; Chai et al., 2014; Řičařová et al., 2017) (图1)。根肿病的防治是抗病领域研究的难点, 而从源头选育根肿病抗性品种是控制根肿病蔓延最有效的策略之一(Chai et al., 2014)。然而, 现有的抗病基因均为小种专化型, 不具备广谱抗性, 面临因病原菌快速变异而导致抗性丢失的问题(Hwang et al., 2013)。因此, 发掘新型根肿病抗性种质资源已成为当务之急。
该研究首先采用正向遗传学方法, 筛选了117个对根肿菌分离株PbDy具有抗性的拟南芥(Arabidopsis thaliana)生态型, 发现与感病的生态型Col-0相比, Est-1、Nyl-2、Shigu-1、Slavi-1和Vie-0五个生态型呈现高抗表型(Wang et al., 2023)。尤其值得注意的是, Est-1生态型对其它从全国各地分离到的16个根肿菌分离株表现出优良的抗病性状。
研究人员通过遗传分离和测序, 发现Est-1的主效抗性位点定位于1号染色体上一段含有9个功能未知基因(命名为C1–C9)的45 kb序列中, Col-0则不具有该序列。研究人员发现C6基因片段(包括2 kb启动子)转基因植株呈现类似NLR (nucleotide-binding domain and Leucine-rich repeat)抗病蛋白自激活的免疫失控和生长受限表型; 而将C6的启动子从2 kb扩展至3.6 kb能在帮助Col-0维持高度抗病性的同时, 避免免疫失衡导致的生长缺陷。该结果表明, C6抗性基因的表达量受启动子不同顺式作用元件的严密调控。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术突变Est-1中的C6基因, 可使植物的抗病性降至与Col-0相似的水平。上述遗传实验证明, C6基因赋予了Est-1有效的根肿菌抗病能力。
C6基因编码1个包含148个氨基酸残基的未知功能蛋白, 其同源基因广泛存在于十字花目物种中。对81个拟南芥生态型的C6基因进行测序, 发现有75个生态型的C6蛋白编码片段丢失或不完整, 而剩余的6个生态型(Est-1、Nyl-2、Shigu-1、Slavi-1、Vie-0和Ler)均保留了完整长度的C6片段。有意思的是, Ler生态型虽然具有完整的C6蛋白编码片段, 但由于启动子区域不完整而无法被根肿菌侵染诱导, 由此依然表现出感病性状。上述结果表明, C6基因的启动子对其功能调控具有重要作用。
利用细胞生物学手段进一步研究发现, 在根肿病菌侵染早期(5天), 无法在根中检测到C6基因的表达, 且Est-1和c6突变体的根肿菌生物量无差异。7–11天后, 在大部分植物的根部中柱鞘细胞内均能检测到C6基因的表达; 与此对应, Est-1植株中根肿菌的生物量极大低于c6突变体, 尤其在Est-1根部中柱内检测不到根肿菌的侵入定殖和原生质团后代细胞的产生。转录组分析表明, 在无病原菌侵染情况下, Est-1野生型和c6突变体之间无显著的基因表达差异; 在接种根肿菌后, 与c6突变体相比, Est-1野生型中大量与水杨酸信号通路和细胞坏死相关的防卫基因上调表达。
生化实验结果表明, C6蛋白能够在内质网形成同源寡聚体。近年来, 植物病理学界对抗病蛋白寡聚复合物——抗病小体的研究逐渐广泛并深入。为探究C6复合体是否具备与抗病小体类似的生化功能, 研究人员利用冷冻电镜技术对WTS蛋白的结构进行了分析。结果表明, C6能够形成五聚体, 这与拟南芥ZAR1及小麦(Triticum aestivum) Sr35各自组成的抗病小体类似(Wang et al., 2019; Förderer et al., 2022)。电生理实验结果表明, C6复合体具有通透Na+和Ca2+的阳离子通道特性, 能够从内质网向细胞质转运Ca2+。研究人员利用Ca2+响应报告蛋白GCaMP6m,发现诱导表达C6蛋白能够促进植物细胞质的Ca2+浓度显著上升, 突变调控C6复合体聚合和离子通道活性的关键氨基酸则导致复合体的Ca2+转运能力和诱导抗病能力受到显著抑制。这些结果表明, C6蛋白在内质网寡聚化形成Ca2+通透性阳离子通道复合体, 从而参与细胞质Ca2+浓度升高和Ca2+信号产生。
上述结果表明, 当根肿菌通过中柱鞘侵入中柱时, C6基因在中柱鞘细胞内上调表达, 并在内质网形成五聚化阳离子通道, 介导Ca2+从内质网到细胞质的转运, 激活下游防卫反应, 甚至诱导细胞坏死。拟南芥和油菜(Brassica napus)同属十字花科, 将拟南芥C6基因转化高感根肿病油菜品种后, 成功地赋予了其高效而广谱的根肿病抗性, 表明C6基因是油菜中优质的抗病基因资源。C6基因这种保护根部中柱的特性使研究者联想到我国西汉时期, 帮助汉武帝成功抗击匈奴入侵的军事统帅卫青, 兼有“保卫青菜”的含义, 遂将其命名为WTS (WeiTsing)。
与前期报道的抗病小体相比, WTS具有一些独特的性质。首先, ZAR1与Sr35抗病小体的组装依赖植物识别相应的病原菌效应蛋白, 而WTS能够自我拼接并寡聚化。其次, ZAR1和Sr35抗病小体需要在细胞膜发挥作用, 而WTS复合体位于内质网。这些特性均表明, WTS复合体介导的免疫属于一类新型植物抗病机制, 该研究是抗病领域的一次重大突破。此外, 根肿病菌、棉花黄萎病菌(Verticilium dahliae)、尖孢镰刀根腐病菌(Fusarium oxysporum)、青枯病菌(Ralstonia solanacearum)、包囊线虫及根结线虫均能够侵染植物的根部(Zhao et al., 2014; Lowe-Power et al., 2018; Holbein et al., 2019; Kawa and Brady, 2022)。如果WTS介导的抗病原理也适用于抵抗这些病原微生物侵染, 将有望显著改善植物根部病害的防控现状。
点评原文PDF下载: 王钢, 王二涛 (2023). “卫青不败由天幸”——WeiTsing的广谱抗根肿病机理被揭示. 植物学报 58, 1–5.
2. 2023年6月8日，Nature Genetics 在线发表了中国农业科学院作物科学研究所刁现民团队完成的题为A graph-based genome and pan-genome variation of the model plant Setaria的研究成果。该研究从头组装了110个谷子和狗尾草高质量基因组，绘制了首个狗尾草属变异图谱，构建了首个杂粮作物高质量图基因组，鉴定出多个谷子驯化、育种改良相关的位点及关键基因，系统解析了谷子驯化改良的遗传基础以及图基因组在遗传及育种应用中的作用，为作物快速育种提供了重要参考。
研究团队收集了1844份谷子及其野生种质资源的基本信息，利用深度重测序对谷子进化进行了群体遗传分析。研究结果拓展了谷子资源亚群分类系统，首次发现狗尾草驯化成春、夏谷亚群之前，形成有一个更为古老的亚群（C3）。核实了谷子单起源的理论，为中国起源中心提供了理论基础。在谷子资源遗传多样性分析基础上，本研究选择了110份具有代表性的微核心种质，利用PacBio、Illumina和Bionano测序技术，de novo组装了110个基因组，构建了狗尾草属目前最为完整的泛基因组图谱。通过比较基因组分析，构建了狗尾草属最高质量的变异图谱。这些数据为谷子生物学研究提供了基因组学基础，极大的拓展了育种研究中可用遗传变异和基因资源。
利用113份微核心种质构建的高质量变异图谱，进一步鉴定出4000余个与谷子驯化及育种改良相关的结构变异，发现了680个在驯化改良中持续被选择的基因，这些基因主要富集在与生殖、光周期、色素及氮利用等生物过程。谷类作物驯化改良过程中存在如落粒性丢失、生物量增加、生育期变长、产量提高等“驯化综合征”现象。研究进一步结合比较基因组分析、遗传定位和基因功能验证，鉴定到谷子落粒性驯化的关键基因Sh1和谷子粒重及籽粒大小驯化的关键基因SiGW3，为谷子的驯化及育种改良奠定了理论基础。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41588-023-01423-w
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.023
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