一个高抗亚洲玉米螟玉米新种质的基因克隆与机制研究

Asian corn borer (Ostrinia furnacalis, ACB) is one of the major pests in maize production in China. Exploration of novel maize germplasm highly resistant to ACB and its utilization in breeding is one of the effective approaches in controlling ACB. Because of the scarcity of superior maize germplasm with high resistance to ACB, chemical mutagenesis is an important approach to accelerate germplasm innovation. We screened 33000 M3 EMS-mutagenized Zheng58 maize (which is the female parent of Zhengdan958, a leading maize cultivar in China) by a combination of standardized bioassays in laboratory and artificial infestation in the field, and identified a mutant with enhanced resistance to ACB through multiple generations. This mutant was named ero1 (enhanced resistance to Ostrinia furnacalis1). ero1 is a recessive mutation on a single locus and was fine-mapped in a small segment on the long arm of chromosome 5 containing 33 genes. Based on these results, this project will clone ERO1 using MutMap, and confirm the result by transgenic approaches. This project will also dissect the role of ERO1 in maize resistance against ACB by analyzing the physiological and molecular phenotypes of ero1. This project will not only deepen our understanding of maize defense response to ACB, but also broaden the genetic basis of ACB-resistance in maize breeding.

亚洲玉米螟是我国玉米生产中的主要害虫之一，而发掘抗螟玉米新种质进而选育抗螟新品种是防控该害虫的有效途径。面对我国优异抗螟种质资源不足的问题，化学诱变是加快种质创新的重要方法。我们以我国主栽玉米品种郑单958的母本郑58为基础构建了EMS突变体库，并用标准化的室内生测和田间接虫法从33000株M3代玉米中获得了高抗亚洲玉米螟且稳定遗传的突变体ero1（enhanced resistance to Ostrinia furnacalis1）；该突变为单位点隐性突变，并已精细定位在5号染色体长臂上一个包含33个基因的区段内。在此基础上，本项目将利用MutMap技术克隆ERO1基因，并通过转基因技术进行互补验证；进而通过该突变体在抗螟反应中生理和分子表型数据，阐明ERO1基因调控玉米抗螟性的作用机制。本研究结果将不仅有助于在理论上解析玉米内源抗螟机制，而且有助于在应用上拓宽玉米抗螟育种的遗传基础。

玉米突变体ero1（enhanced resistance to Ostrinia furnacalis1）是从郑58背景的EMS突变体库中筛选获得的一个高抗亚洲玉米螟且稳定遗传的突变体。为了克隆ERO1基因，我们在前期精细定位ERO1基因的基础上，综合利用传统的BSA、图位克隆技术以及二代测序技术，确定了ERO1的候选基因GRMZM2G366698。在ero1突变体中，GRMZM2G366698基因发生了一个从G到A的点突变。这个点突变导致蛋白质序列上发生半胱氨酸（Cys）到酪氨酸（Tyr）的变异。在以前的报道中，GRMZM2G366698编码一个控制株高的基因Brevis Plant1 (BV1)，但是bv1突变体的抗螟性尚未得到研究。我们对ero1和bv1进行等位性测试，发现ero1、bv1以及F1代都具有高抗玉米螟的表型。因此，ero1是bv1的一个新的等位变异，本研究发现了BV1基因在玉米螟抗性中的新功能。抗虫标志基因的表达分析表明，ero1突变体对玉米螟抗性的提高不依赖于DIMBOA、RIP、MPI等直接防御途径，也不依赖于TPS10、TPS23等间接防御基因。和野生型郑58玉米相比，ero1突变体在虫害诱导前后都积累了更多的JA，因此属于JA途径组成型激活突变体。此外，我们发现ERO1基因在各个组织器官中并不受到虫害和JA处理的影响。综上所述，ERO1 基因是一个新型的JA 途径负调控因子。本项目的研究成果，不仅为玉米抗螟育种提供更广泛的优异种质资源，还为创新种质的可利用性提供理论依据。