ZmWAK-ZmBAG1调控玉米丝黑穗病抗性的分子机制

Head smut is a sever soil born disease during maize production, ZmWAK was validated to improve head smut resistance through regulating programmed cell death progresses in mesocotyls, during which the expression level of anti-apoptosis gene ZmBAG1 was decreased by 20 times. However, the mechanism of how ZmBAG1 functions downstream of ZmWAK, and regulates head smut resistance via PCD process remains unknown. Therefore, we would use 2 near isogenetic lines —— a susceptible line Hunagzao4,and its ZmWAK-converted resistant line Huangzao4R as our research materials. And we will construct over-expression and gene-editing trans-genetic lines of ZmBAG1, combining subcellular location, pathogen induced gene expression, apoptosis and phenotyping to elucidate the mechanism of ZmWAK-ZmBAG1 signaling mediated maize disease resistance. Our research will enrich the molecular theory of stress resistance of plant BAG family, provide theoretical supports for maize head smut resistance breeding, having important theoretical significance and potential application value.

丝黑穗病是玉米生产过程中一种危害重大的土传病害。研究表明ZmWAK通过调控地中茎PCD过程提高了玉米对丝黑穗病的抗性，在此过程中具有抑制细胞凋亡功能的ZmBAG1基因的表达量下降了约20倍。但ZmWAK如何调控ZmBAG1，进而通过ZmBAG1调控玉米PCD过程产生抗丝黑穗病的分子机制尚不清晰。鉴此，本研究将以近等基因系黄早四和导入了ZmWAK抗病区段的黄早四R为研究材料，并通过转基因的方法获得ZmBAG1过表达和基因编辑的转基因植株，通过组配不同基因型的群体，结合亚细胞定位、病原菌诱导的基因表达、细胞凋亡以及表型抗性鉴定分析等方法，解析ZmWAK-ZmBAG1信号途径在抗丝黑穗病过程中的作用机理。本研究结果将丰富植物BAG家族基因抗逆作用的分子理论，为玉米ZmBAG1抗丝黑穗病育种提供重要的理论依据，具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

玉米是我国三大主要粮食作物之一，在我国的粮食安全中占有举足轻重的地位。丝黑穗病是一种绝产性土传病害，植株感染丝黑穗病后整个果穗被黑粉孢子占据，严重影响玉米产量。在前期的研究中克隆到了一个抗玉米丝黑穗病的主效QTL基因—ZmWAK，可提高20-40%的抗病性。该基因编码了一个跨膜的激酶，在玉米地中茎处高表达。通过对该基因的功能研究发现，该基因诱导植株发生了PCD，限制了菌丝进一步在植株内扩展，使其不能通过地中茎进入茎尖分生组织，从而提高了玉米的抗病性。但该基因如何接收病原菌侵染的信号，以及如何引发下游的PCD过程的机制尚不清晰。. 本研究先对含有和不含有ZmWAK的近等基因系HZ4和HZ4R接种丝轴黑粉菌，对病原菌的转录组进行差异分析。HZ4和HZ4R中分别有1072和828 个差异表达基因（Differentially expressed genes, DEGs）。其中749个基因是在两个材料中共同差异表达的。在HZ4中，191个基因表达单独上调，132个基因表达单独下调。在HZ4R中分别为50和29个。在390个共同上调的基因中，160个为分泌蛋白，共同下调的359个基因中只有18个为分泌相关蛋白。说明分泌蛋白在病原菌侵染过程中起着重要作用。HZ4中有41个，HZ4R中有9个分泌蛋白单独表达，这可能与ZmWAK的抗病途径存在一定关系。. 对 ZmWAK引起的PCD进行细胞学以及分子生物学分析，发现该PCD为类凋亡型PCD（apoptosis-like PCD），具有抑制细胞凋亡功能的ZmBAG1基因的表达量下降了约20倍。ZmBAG1cDNA全长495bp,编码164个氨基酸，ZmBAG亚细胞定位于细胞质和线粒体，。在HZ4R中对ZmBAG1过表达后，阳性植株地中茎表面皱缩、萎蔫、枯死，菌丝的侵染量大大增加，而阴性植株的地中茎健康、正常的生长。经分子生物学鉴定，过表达阳性植株的茎尖侵染率显著高于阴性植株，表明ZmBAG1作为下游基因抑制了ZmWAK引起的PCD过程，从而降低了ZmWAK的抗病反应。抗病信号如何从位于细胞膜的ZmWAK传递至定位于线粒体的ZmBAG1尚不清楚。