2024年9月19日，中国农业大学植物保护学院朱旺升团队在细胞出版社（Cell Press）旗下期刊《分子植物》(Molecular Plant) 在线发表了题为“Natural variations of maize ZmLecRK1 determine its interaction with ZmBAK1 and resistance patterns to multiple pathogens”的研究论文。该研究基于玉米全基因组关联分析获得贡献玉米腐霉茎腐病、纹枯病和小斑病抗性的广谱抗病基因ZmLecRK1。ZmLecRK1编码的凝集素类受体激酶，与共受体ZmBAK1形成复合体介导免疫信号传递，并鉴定了抗感单倍型的关键氨基酸变异A404S，发现在玉米祖先种大刍草和其他禾本科植物中，该位点均为感病单倍型S404，而抗病单倍型A404仅存在于部分玉米自交系中，为通过单碱基编辑创制抗病作物提供了理论基础。

玉米是我国主要粮饲油兼用作物，但是在生长过程中往往同时受到多种病原菌侵染，如腐霉菌和镰刀菌单独或复合侵染导致玉米茎腐病；立枯丝核菌侵染导致玉米纹枯病；玉蜀黍平脐蠕孢菌侵染导致玉米小斑病等导致品质及产量严重下降。因此，挖掘新的广谱抗病基因并解析其分子功能对抗病育种和品种遗传改良是至关重要的。

课题组之前通过全基因组关联分析定位到参与瓜果腐霉菌抗性的β-葡萄糖苷酶编码基因ZmBGLU17（Liu et al., PBJ, 2024）以及G型凝集素类受体激酶编码基因ZmLecRK1。zmlecrk1突变体材料在田间对瓜果腐霉抗性明显减弱，同时发现zmlecrk1对茎部病害纹枯病和叶部病害小斑病抗性明显减弱，表明ZmLecRK1是潜在的广谱抗病基因。单倍型分析发现ZmLecRK1存在以ZmLecRK1Qi319和ZmLecRK1TY4为代表的抗感单倍型，其序列差异全部集中在ZmLecRK1的胞外结构域。在玉米、烟草和拟南芥三种体系中均发现ZmLecRK1Qi319能触发细胞死亡，而ZmLecRK1TY4则不能引起明显变化，暗示ZmLecRK1Qi319和ZmLecRK1TY4具有不同的生物学功能。转录组分析表明ZmLecRK1可能介导了细胞壁相关组分的合成相关基因的表达，进而贡献多种病原菌抗性。

图1 ZmLecRK1贡献玉米广谱抗病性

模式识别受体通常和共受体形成复合体激活免疫反应，但是G型LecRKs与共受体激酶如何激活下游免疫信号还未有人报道。作者通过IP-MS筛选到ZmLecRK1互作蛋白ZmBAK1，在zmbak1敲除转基因玉米中ZmLecRK1Qi319不能触发的细胞死亡，同时田间试验发现zmbak1对腐霉茎腐病、纹枯病及小斑病抗病性明显减弱。通过生化实验表明ZmLecRK1Qi319与ZmBAK1互作强度高于ZmLecRK1TY4与ZmBAK1，且ZmBAK1特异性增强ZmLecRK1Qi319自身互作强度，BN-PAGE实验表明ZmLecRK1Qi319形成复合体能力远强于ZmLecRK1TY4。并发现病原菌和真菌几丁质处理能显著增强ZmLecRK1和ZmBAK1的互作强度。

作者进一步探究了贡献ZmLecRK1抗感单倍型的关键自然变异位点。结构域和点突变实验发现PAN结构域的S404A自然变异是决定ZmLecRK1抗感基因型差异的主要位点。并发现A404S突变能够显著降低ZmLecRK1Qi319与ZmBAK1互作能力以及ZmLecRK1Qi319形成复合物的能力。序列分析发现玉米祖先种大刍草和大多数获得的禾本科植物均编码感病单倍型S404，而具有A404的抗病单倍型仅存在于少数玉米自交系中。进一步突变体分析表明高粱和水稻中ZmLecRK1同源蛋白的S突变为A后能显著增强其诱导免疫反应的能力。

图2 ZmLecRK1-ZmBAK抗病模块的工作机制

综上，该研究鉴定了一个玉米广谱抗病基因ZmLecRK1，其编码蛋白与共受体ZmBAK1形成复合体促发下游免疫反应，并且鉴定了决定该抗病基因功能的自然变异位点，该位点可以影响ZmLecRK1与共受体ZmBAK1形成复合体的能力，为通过碱基编辑精确靶标该位点来调节ZmLecRK1及其同源蛋白的功能培育作物抗病品种提供了重要理论基础。

中国农业大学植物保护学院博士生李振菊、陈俊斌博士和刘闯博士为论文共同第一作者，玉米生物育种全国重点实验室/中国农业大学植物保护学院朱旺升教授为通讯作者。课题组博士毕业生王明玉博士（现浙江省农业科学院植物保护与微生物研究所副研究员）、课题组程文钰和刘珲、崖州湾国家实验室王磊博士、中国农业大学植物保护学院Vijai Bhadauria教授、王世维博士、彭友良教授和中国农业大学玉米中心杨小红教授、徐明良教授等人参与了该工作。感谢马普生物研究所（图宾根）Detlef Weigel教授、华中农业大学李博教授、华南农业大学梁祥修教授、中国农业大学毕国志教授、徐光远副教授、徐宁副教授、张鑫副教授和三位审稿人提供的宝贵建议。感谢南京农业大学窦道龙教授提供的Pythium aphanidermatum菌株和烟草VIGS载体、中国农大陈旭君教授提供的Rhizoctonia solani菌株、中国农业科学院刘文德研究员提供的Bipolaris maydis菌株、段灿星研究员提供的Fusarium graminearum菌株、山东大学王官峰教授提供的Rp1-D21载体和中国农大于菲菲教授提供的高粱基因组DNA。该研究得到了生物育种-国家科技重大专项、国家重点研究发展计划、国家自然科学基金和拼多多-中国农业大学科研基金的资助。

Reference

1.     Li Z., Chen J., Liu C., He S., Wang M., Wang L., Bhadauria V., Wang S., Cheng W., Liu H, et al. (2024). Natural variations of maize ZmLecRK1 determine its interaction with ZmBAK1 and resistance patterns to multiple pathogens. Molecular. Plant. doi: https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.09.006 

2.     Liu C, He SF, Chen JB, Wang MY, Li ZJ, Wei LY, Chen Y, Du MD, Liu DD, Li C, An CJ, BhadauriaV, Lai JS, Zhu WS*. A dual-subcellular localized β-glucosidase confers pathogen and insect resistance without a yield penalty in maize. Plant Biotechnology Journal. 2024, 22, 1017–1032