玉米（Zea mays. L）是一种用途广泛的作物，是世界各地食物、饲料和生物能源的重要原材料。尽管近几十年来玉米的产量稳步增长，但病虫害对玉米产量和品质的影响也是全球迫切关注的问题。由土传病菌腐霉菌侵染引起的茎腐病是一类严重危害玉米生产的病害，导致了玉米质量和产量大幅下降。近年来，由于气候条件、栽培方式和玉米品种的变化，玉米腐霉茎腐病已成为我国黄淮和西北地区主要的玉米病害（王晓鸣和王振营，2018；郭成等，2019）。种植抗病品种是防治玉米腐霉茎腐病发生最为经济有效的措施之一，开展玉米腐霉茎腐病抗性遗传研究、抗性基因的定位、克隆和功能解析对于玉米腐霉茎腐病抗病新种质的创制具有重要意义。

2023年11月27日，中国农业大学植物保护学院朱旺升研究团队在国际知名期刊《植物生物技术杂志》（Plant Biotechnology Journal）在线发表了题为《双重亚细胞定位的β-葡萄糖苷酶赋予玉米病虫害抗性和生长平衡》（A dual-subcellular localized β-glucosidase confers pathogen and insect resistance without a yield penalty in maize）的研究论文，该研究发现了一个具有质外体和液泡双重定位的β-葡萄糖苷酶ZmBGLU17能够通过微调细胞壁木质素的积累和活性代谢产物DIMBOA的生物合成，显著增强玉米对瓜果腐霉菌和亚洲玉米螟的抗性，并且不影响玉米田间生长和产量。

研究人员通过全基因组关联分析发现玉米第1号染色体存在一个与瓜果腐霉菌抗性相关的β-葡萄糖苷酶基因（ZmBGLU17）。单倍型分析结果表明ZmBGLU17抗感单倍型与瓜果腐霉菌抗性表型显著关联。通过对抗（GEMS10，Hap1）、感（TY4，Hap2）单倍型株系及其杂交F1、F2群体材料进行抗性遗传分析，表明ZmBGLU17GEMS10是一个具有加性效应的瓜果腐霉菌抗性基因。在玉米中沉默ZmBGLU17后，玉米叶片对瓜果腐霉菌的抗性显著降低；而过表达ZmBGLU17的玉米株系，在玉米芽期和幼苗期对瓜果腐霉菌的抗性均显著提高。接种瓜果腐霉菌后，抗病单倍型株系GEMS10中ZmBGLU17基因表达水平上调，而感病单倍型株系TY4中ZmBGLU17表达水平则显著下调，这表明抗感单倍型株系中ZmBGLU17对瓜果腐霉菌的侵染具有不同的响应模式。针对该基因对抗感单倍型材料进行重测序，发现在ZmBGLU17启动子上存在240 bp的结构变异，双荧光素酶报告实验表明240 bp的结构变异是影响ZmBGLU17启动子启动效率的关键变异。另外进一步序列分析发现，ZmBGLU17第五内含子5’剪接位点+4位存在a-t的自然变异，导致ZmBGLU17TY4选择性剪接，使具有生物功能的转录本ZmBGLU17SF1显著减少。

图1 ZmBGLU17的抗性功能验证及自然变异分析

由于糖苷水解酶的亚细胞定位对其生物学功能的行使具有重要作用。该研究发现同时ZmBGLU17质外体和液泡定位信号。已报道研究表明，质外体和液泡定位的糖苷水解酶分别参与木质素和苯并噁嗪类化合物DIMBOA的生物合成（Leah et al., 1995；Escamilla et al., 2006；Lee et al., 2006；Ye et al., 2019）。通过对ZmBGLU17过表达材料木质素和DIMBOA含量测试，证实ZmBGLU17确实参与了两类抗病虫代谢产物的合成。同时研究人员测试了过表达材料对亚洲玉米螟具有一定抗性。田间试验结果证明了过表达ZmBGLU17不影响玉米的生长和产量，但能够显著提高玉米对腐霉茎腐病的抗性。

图2 ZmBGLU17具有质外体和液泡双定位信号微调木质素的积累和DIMBOA生物合成

综上，该研究揭示了通过全基因组关联分析鉴定到一个瓜果腐霉菌抗性基因ZmBGLU17，确定了ZmBGLU17编码一种质外体和液泡双重定位的β-葡萄糖苷酶，该蛋白可以在不影响产量的同时通过微调木质素的积累和DIMBOA的合成赋予玉米对瓜果腐霉菌和亚洲玉米螟的抗性，为玉米抗病虫害分子育种提供了重要的基因资源和理论基础。此外，研究发现内含子5’剪接位点附近单核苷酸多态性可以显著影响mRNA的选择性剪接，导致了ZmBGLU17两个等位基因之间的表达差异，这一发现提示可以在内含子GT-AT剪接位点附近使用靶向碱基编辑进而调控基因表达，为利用具有自免疫表型的作物抗病虫基因成为可能。

图3 工作模型

中国农业大学植物保护学院博士生刘闯为论文的第一作者，中国农业大学植物保护学院朱旺升教授为该论文的通讯作者。中国农业大学安春菊教授、Vijai Bhadauria教授、中国农业大学赖锦盛教授和朱旺升研究团队其他成员参与了该工作。感谢中国农业大学玉米中心徐明良教授和杨小红教授、南京农业大学植保学院窦道龙教授、清华大学刘玉乐教授和中国农业大学周涛教授在研究中提供的支持和帮助，感谢中国农业大学张敬波教授对项目研究中玉米液泡提取和基因定位观察的技术指导。感谢中国农业大学植保学院公共平台对项目研究代谢产物含量测定中提供的技术支持。该研究得到国家重点研发计划、拼多多-中国农业大学研究基金、国家自然科学基金和中国农业大学2115人才发展计划的支持。实验室网页：https://www.labxing.com/zhulab。

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