JAZ-MYC复合体调控甘蔗对黑穗病抗性的分子机制研究

JAZ-MYC (Jasmonate ZIM-myelocytomatosis) is the core functional complex of jasmonic acid signal transduction pathway, which plays a key role in plant antifungal activity, but it has not been studied in sugarcane. Smut is the most important fungal disease during sugarcane cultivation. In the present study, on the basis of excavation on the previous transcriptional database of the smut resistant and susceptible sugarcane varieties in response to the infection of smut fungus, we cloned sugarcane JAZ and MYC gene family, analyzed their expression characteristics, and got the family members related to smut resistance. Subsequently, through yeast two hybrid (Y2H), bimolecular fluorescence complementation (BiFC), chromatin immunoprecipitation (Co-IP) and MicroScale Thermophoresis (MST), we analyzed the interaction between JAZ and MYC, and obtained JAZ-MYC complexes with strong interaction. Next, the dual expression vectors of these JAZ-MYC complexes were constructed and firstly over-expressed and gene silenced in tobacco, and one to two JAZ-MYC complex(es) with antifungal activity was/were confirmed by resistance identification. Finally, the selected JAZ-MYC complex(es) with strong interaction and antifungal activity was/were transformed into a sugarcane variety (ROC22) to improve its smut resistance, and the new sugarcane germplasm resistant to smut disease was obtained accordingly. This project not only theoretically clarifies the molecular mechanism of those JAZ-MYC complexes in sugarcane smut resistance, but also creates new germplasm and provides new genetic resources for disease resistance breeding in practice.

JAZ-MYC（Jasmonate ZIM-myelocytomatosis）是茉莉酸信号转导途径的核心功能复合体，对植物抗真菌起关键作用，但在甘蔗中尚未见研究。黑穗病是甘蔗栽培上最重要真菌病害。本研究拟在挖掘前期构建的甘蔗抗、感品种响应黑穗病菌侵染的转录组数据库的基础上，克隆甘蔗JAZ和MYC基因家族并分析其表达特性，获得与抗黑穗病相关家族成员；接着，通过酵母双杂交、双分子荧光互补、染色质免疫共沉淀和分子间相互作用技术，分析JAZ和MYC相互作用，获得强互作JAZ-MYC复合体。然后，构建JAZ-MYC复合体双元表达载体，先在烟草中进行过表达和基因沉默，经抗性鉴定，获得抗真菌JAZ-MYC复合体，再将其转化甘蔗主栽品种ROC22，定向改良其抗黑穗病性，获得抗黑穗病甘蔗新种质。项目在理论上明晰JAZ-MYC复合体在甘蔗抗黑穗病性中的作用机理，实践上为抗病育种创制新种质并提供新的基因资源。

JAZ-MYC（Jasmonate ZIM-myelocytomatosis）是茉莉酸信号转导途径的核心功能复合体，对植物抗真菌起关键作用，但在甘蔗中尚未见研究。黑穗病是甘蔗栽培上最重要真菌病害。项目在挖掘前期构建的甘蔗抗、感品种响应黑穗病菌侵染的转录组数据库的基础上，一方面，我们针对茉莉酸信号转导途径的关键因子JAZ和核心调控因子MYC，从家族基因分析、关键基因确定、互作关系验证和强互作复合体的遗传转化及其效果评价等开展了较为系统的工作。另一方面，针对JAZ-MYC- COI1复合体中的COI1，开展了基因挖掘和功能分析研究，以在JAZ-MYC复合体功能研究中作为佐证素材。此外，考虑国家基金鼓励创新和复合体功能可能存在的不确定性，我们针对茉莉酸（jasmonic acid，JA）代谢途径的丙二烯氧化物合成酶（allene oxide synthase，AOS）基因和丙二烯氧化物环化酶（allene oxide cyelase，AOC）基因以及活性氧代谢途径的过氧化氢酶（catalase，CAT）基因开展基因挖掘和功能鉴定的研究，作为本项目的有益补充。通过项目的实施，首先，课题组应邀发表甘蔗黑穗病研究进展的综述文章，有望为解析甘蔗黑穗病的形成机理和防控措施及选育抗黑穗病甘蔗品种提供较为全面的资料参考和思路借鉴。其次，针对JAZ和MYC，较为全面阐述了其结构特点、作用机制和功能调控。再次，聚焦MYC基因家族挖掘、系统进化分析、结构特征阐述、表达模式鉴定及抗病功能解析开展研究，揭示了MYC转录因子在甘蔗抗黑穗病中的分子功能。进一步，研究从甘蔗野生种割手密和热带种的基因组入手，聚焦甘蔗AOS基因家族的挖掘、分类、进化、结构特征、启动子顺式作用元件、表达模式、抗病功能及其调控机制解析开展研究，揭示甘蔗AOS基因正调控植物对病原菌的防御。最后，我们根据课题组前期开展的甘蔗受黑穗病菌侵染后的转录组和蛋白组数据认为，活性氧代谢途径和JAZ-MYC复合体是存在紧密的共表达关系的，进一步研究如何聚焦它们之间cross talk，有可能产生我们项目意料之外的一个惊喜性成果。以上研究在理论上明晰了JAZ-MYC复合体在甘蔗抗黑穗病性中的作用机理，实践上为抗病育种创制新种质提供了新的基因资源。