ZmFBL41 Chang7-2: 玉米抗纹枯病的关键利器

由真菌Rhizoctonia solani引起的纹枯病严重危害玉米(Zea mays)和水稻(Oryza sativa)等作物的安全生产。R. solani的宿主范围广且抗源少, 加之相关的抗性机制研究有限, 导致纹枯病的危害长期得不到有效控制。近期, 中国科学家通过对318份玉米自交系进行全基因组关联分析, 筛选到1个与纹枯病抗性相关的、编码F-box结构域蛋白的候选基因ZmFBL41 (GRMZM2G109140)。ZmFBL41蛋白是SCF (SKP1-Cullin-F-box) E3泛素连接酶复合体的一员, 能介导复合体对肉桂醇脱氢酶ZmCAD的降解, 从而降低木质素的积累, 使玉米易感纹枯病。玉米抗病自交系Chang7-2中, 蛋白ZmFBL41 ^Chang7-2因2个关键氨基酸的变异, 不能结合并降解底物ZmCAD, 使木质素含量增加, 从而提高玉米对纹枯病的抗性。该研究率先揭示了SCF复合体可通过降解肉桂醇脱氢酶来调控植物免疫反应的新型分子机制, 为提高玉米及其它作物对纹枯病的抗性提供了重要理论依据和基因资源。     

木质素合成关键酶——肉桂醇脱氢酶的研究进展

肉桂醇脱氢酶(CAD)是木质素合成途径的关键酶之一,它作用于木质素单体生物合成的最后一步。重点综述了肉桂醇脱氢酶(CAD)的在基因家族方面,基因调控方面以及蛋白结晶方面的研究进展,讨论了存在的问题并提出了相关策略。     

大刍草稀有等位基因促进玉米密植高产

密植是提高作物单位面积产量、促进粮食增产的重要途径之一。叶夹角是影响玉米(Zea mays)密植的关键因子。中国农业大学田丰课题组最近克隆了2个调控玉米叶夹角的数量性状位点(QTL)——UPA1和UPA2, 揭示了这2个位点的功能基因(brd1和ZmRAVL1)通过油菜素内酯(BR)信号通路调控叶夹角。UPA2位于ZmRAVL1上游9.5 kb, 可与DRL1蛋白结合。另一个影响玉米叶夹角的蛋白LG1可以激活ZmRAVL1的表达; DRL1蛋白与LG1蛋白直接互作抑制LG1对ZmRAVL1的激活表达。玉米祖先种大刍草(teosinte)的UPA2位点序列与DRL1蛋白结合能力更强, 导致大刍草ZmRAVL1的表达受到更强的抑制, 下调表达的ZmRAVL1进一步使下游基因brd1的表达下调, 进而降低叶环区的内源BR水平, 导致叶夹角变小。将大刍草的UPA2等位基因导入到玉米中或对玉米中ZmRAVL1进行基因编辑, 在密植条件下均可显著提高玉米产量。上述发现为高产玉米品种的分子育种改良提供了重要理论基础和基因资源。     

大刍草稀有等位基因促进玉米密植高产

密植是提高作物单位面积产量、促进粮食增产的重要途径之一。叶夹角是影响玉米(Zea mays)密植的关键因子。中国农业大学田丰课题组最近克隆了2个调控玉米叶夹角的数量性状位点(QTL)——UPA1和UPA2, 揭示了这2个位点的功能基因(brd1和ZmRAVL1)通过油菜素内酯(BR)信号通路调控叶夹角。UPA2位于ZmRAVL1上游9.5 kb, 可与DRL1蛋白结合。另一个影响玉米叶夹角的蛋白LG1可以激活ZmRAVL1的表达; DRL1蛋白与LG1蛋白直接互作抑制LG1对ZmRAVL1的激活表达。玉米祖先种大刍草(teosinte)的UPA2位点序列与DRL1蛋白结合能力更强, 导致大刍草ZmRAVL1的表达受到更强的抑制, 下调表达的ZmRAVL1进一步使下游基因brd1的表达下调, 进而降低叶环区的内源BR水平, 导致叶夹角变小。将大刍草的UPA2等位基因导入到玉米中或对玉米中ZmRAVL1进行基因编辑, 在密植条件下均可显著提高玉米产量。上述发现为高产玉米品种的分子育种改良提供了重要理论基础和基因资源。     

机械损伤对Bt玉米化学防御的系统诱导效应

植物在生长过程中形成了抵御机械损伤等外界胁迫的直接和间接防御体系, 并具有明显的系统性特征。Bt (Bacillus thuringiensis)玉米(Zea mays)是全球商品化最快的抗虫转基因作物之一。机械损伤等外界胁迫对Bt玉米和常规玉米化学防御的系统诱导效应是否存在差异是值得探讨的问题。该文以两个不同转化事件的Bt玉米‘5422Bt1’(Bt11)和‘5422CBCL’(Mon810)以及它们共同的同源常规玉米‘5422’幼苗为材料, 对玉米第一叶进行机械损伤处理6 h后, 检测非损伤部位(第二叶和根系)中Bt蛋白含量、直接防御物质丁布(DIMBDA)含量及其调控基因(Bx1、Bx6和Bx9)表达、直接防御物质总酚含量及其调控基因(PAL)表达、直接防御蛋白调控基因(MPI和PR-2a)表达以及间接防御物质挥发物调控基因(FPS和TPS)表达的变化。结果表明, 与健康植株相比, 机械损伤对两个Bt玉米第二叶和根系的Bt蛋白含量均没有显著影响; 机械损伤第一叶只能系统诱导常规玉米‘5422’第二叶中PAL、TPS和根系中PAL、FPS基因的表达, 使得第二叶丁布含量显著增加, 但根中丁布含量及其调控基因Bx6和Bx9基因的表达量明显下降; 而机械损伤能系统诱导Bt玉米‘5422Bt1’第二叶中Bx6、PAL、PR-2a、TPS和根系中Bx6、Bx9、PAL、MPI、PR-2a、TPS基因的表达, 使得第二叶丁布含量明显增加; 对于另一Bt玉米‘5422CBCL’而言, 机械损伤能系统诱导第二叶中Bx9、PAL、PR-2a、TPS和根系中Bx6、PAL、MPI、TPS基因的表达, 使得根系的总酚含量显著增加。由此可见, 机械损伤对两个Bt玉米化学防御反应的系统诱导作用均强于常规玉米‘5422’, 说明在机械损伤的系统诱导防御过程中, 人工导入抗性(Bt基因)与自身化学防御过程之间的互作关系是协同的。     

过表达钾转运蛋白基因trkH提高玉米的钾营养

钾是植物生长发育必须的营养元素,参与多种生理生化过程。土壤缺钾严重影响了玉米的产量和品质,通过遗传改良的方式提高玉米的钾营养是解决这个问题的有效途径。本实验室前期从海洋微生物宏基因组DNA中克隆得到细菌钾转运蛋白基因trkH,在酵母和烟草中验证了功能。为进一步分析trkH基因在玉米中的功能,以Hi-Ⅱ基因型玉米为转化受体,采用农杆菌介导法将trkH基因转入玉米,获得具有Baster抗性的独立转化苗21株。PCR检测结果表明trkH基因已成功转入到玉米基因组中。Bar试纸条检测结果表明Bar基因在蛋白水平上成功表达。将部分T₀代转基因植株与玉米骨干自交系PH6WC杂交,获得8个T₁代株系,半定量RT-PCR检测结果表明转基因植株在转录水平上均能表达。三叶一心期喷洒除草剂进行筛选,选择比例接近1：1的L3、L5和L7转基因株系进行PCR检测,统计检测结果并进行χ²测验,结果表明符合孟德尔分离定律。L3、L5和L7转基因株系玉米苗期的钾耗竭实验结果表明过表达trkH基因能够提高转基因玉米的K⁺吸收,为培育钾营养高效玉米新品种奠定基础。     

丛枝菌根真菌通过上调根系及自身水孔蛋白基因表达提高玉米抗旱性

在模拟干旱条件下, 研究了接种丛枝菌根(AM)真菌Glomus intraradices对玉米(Zea mays)根部13种质膜水孔蛋白基因表达的影响, 同时观测了AM真菌自身水孔蛋白基因的表达情况。结果表明, 干旱条件下, 除Zm PIP1;3、Zm PIP1;4、Zm PIP1;5和Zm PIP2;2之外的接种处理能显著提高根部其他8种质膜水孔蛋白基因的表达(Zm PIP2;7表达量未检测出), 并且AM真菌菌丝中水孔蛋白基因GintAQP1表达也显著增强。与此同时, 接种处理明显改善了植物水分状况, 提高了叶片水势。AM真菌增强宿主植物根部及自身的水孔蛋白基因的表达对于提高植物抗旱性具有潜在的重要贡献。     

高效木质素降解菌的筛选及其对玉米秸秆的降解效果

本研究利用愈创木酚和苯胺蓝固体培养基对菌株进行初筛,利用形态学和分子生物学对筛选出的菌株进行鉴定,以黄孢原毛平革菌Phanerochaete chrysosporium CGMCC 5.0776为对照,利用其对玉米秸秆进行预处理并测定木质素和纤维素的降解率,测定筛选菌株在预处理玉米秸秆过程中漆酶、锰过氧化物酶（manganese peroxidase,MnP）和木质素过氧化物酶（lignin peroxidase,LiP）活性。结果表明:利用愈创木酚和苯胺蓝固体培养基,从16株白腐真菌菌株中筛选出2株具有较高漆酶或MnP活性的菌株,鉴定其为桦栓孔菌Trametes betulina (L.) Pilát（ZT-153）和亚黑管孔菌Bjerkandera fumosa (Pers.) P. Karst.（ZT-307）,测定T. betulina ZT-153和B. fumosa ZT-307对玉米秸秆酸不溶木质素降解效率分别为13.60%和21.87%,较对照P. chrysosporium CGMCC 5.0776高1.58%和9.85%,对纤维素的降解率较低,分别为4.10%和4.50%。2株菌株在预处理玉米秸秆过程中,T. betulina ZT-153表现出漆酶和MnP活性,B. fumosa ZT-307只表现出LiP活性。其中B. fumosa ZT-307对玉米秸秆酸不溶木质素的降解效率最高,在秸秆资源的综合利用方面具有较好的潜力和应用前景。     

240份玉米自交系纹枯病抗性鉴定与评价

在人工接种条件下,连续3年对240份玉米自交系纹枯病抗性进行鉴定和评价,分析了玉米纹枯病抗性与主要农艺性状的相关性。结果表明,玉米纹枯病抗性资源较为缺乏,240份自交系中无免疫或高抗的材料,有中抗自交系4份、感病自交系18份、高感自交系218份。旅大红骨、Reid、PA和塘四平头类群自交系中未发现玉米纹枯病抗源,PB类群和Lancaster类群自交系纹枯病抗性相对较好,今后应主要从这两类种质中寻找玉米纹枯病抗源。玉米纹枯病病情指数与株高、穗位高、穗位高/株高、穗下节间数和穗下平均节间长均呈极显著负相关,这些表型可以作为非接种条件下筛选抗玉米纹枯病种质的参考指标。     

玉米逆境响应相关转录因子ZmC2H2-1基因克隆及功能验证

玉米是我国第一大作物,提高玉米的抗逆性是玉米育种的重要目标性状之一。植物C2H2型锌指蛋白广泛参与植物各个时期的生长发育及逆境应答过程。本研究从玉米中分离了转录因子ZmC2H2-1基因并对其功能进行了初步研究。结果表明,ZmC2H2-1属于C2H2锌指蛋白转录因子家族,编码蛋白主要位于细胞核中,酵母自激活实验表明ZmC2H2-1不具有自激活活性;干旱、盐和ABA等逆境可抑制ZmC2H2-1基因在玉米中的表达;过表达ZmC2H2-1基因的拟南芥叶片失水速率更快,在PEG、高盐和ABA处理条件下,与对照相比转ZmC2H2-1基因拟南芥耐逆性降低,以上结果说明ZmC2H2-1基因是作为玉米抗逆的负调控因子参与了逆境胁迫应答。本研究为深入解析玉米ZmC2H2-1的调控网络和玉米的抗逆调控机制奠定了基础。     

水稻稻瘟病和纹枯病抗性鉴定方法

水稻(Oryza sativa)是世界上最重要的粮食作物, 但稻瘟病和纹枯病等病害严重危害水稻的产量和品质, 给我国乃至全球粮食安全带来巨大威胁。鉴定水稻抗病资源、克隆抗病基因、揭示抗性机理并在育种中加以利用, 对抵御水稻病害和保障粮食安全具有十分重要的作用。准确评价水稻资源的抗病性, 是开展抗病机理研究和育种生产应用的关键环节。该文详述了水稻幼苗期人工喷雾接种、分蘖期和孕穗期田间注射接种与离体叶片戳伤接种的稻瘟病抗性鉴定方法, 以及水稻分蘖期田间接种、孕穗期温室接种和离体茎秆接种的纹枯病抗性鉴定方法, 以期为同行鉴定水稻资源、开展抗病理论和应用研究提供参考。     

Growth inhibition of the cereal root pathogens Rhizoctonia solani AG8, R. oryzae and Gaeumannomyces graminis var. tritici by a recombinant 42-kDa endochitinase from Trichoderma harzianum

The objective of this study was to determine the effectiveness of a 42-kDa endochitinase coded by the ThEn42 gene from Trichoderma harzianum as a potential source of transgenic resistance to Rhizoctonia root rot of barley caused by Rhizoctonia solani AG8 and/or R. oryzae. The gene cThEn42 was codon optimized (GC content increased from 53.3 to 65.1%) and then synthesized to produce the modified cThEn42GC in Pichia pastoris for in vitro tests. Two expression vectors were constructed: one with the fungal signal peptide and the fungal activation peptide [FSP-FAP-cThEn(GC)] and the other with barley chitinase 26 signal peptide followed by the fungal signal and activation peptides [SP(HVChi26)-FSP-FAP-cThEn(GC)]. N-terminal sequencing showed that, of two proteins secreted into liquid medium, FSP was cleaved off faithfully in one protein and both FSP and FAP were cleaved from the other protein. Purified endochitinase provided strong in vitro inhibition of both R. solani AG8 and R. oryzae. The enzyme had an intermediate inhibitory activity against Gaeumannomyces graminis var. tritici, and no inhibitory activity against Fusarium graminearum, F. pseudograminearum, and F. culmorum.     

Potential of Serratia marcescens strain B2 for biological control of rice sheath blight

Serratia marcescens strain B2 inhibited mycelial growth of the rice sheath blight pathogen Rhizoctonia solani AG-1 IA. Rice plants were treated with bacterial suspension and then challenge inoculated with the pathogen. Application of S. marcescens effectively reduced the incidence of sheath blight. S. marcescens survived in soil under glasshouse conditions at ca. 10⁸ colony forming units g^-1 of soil for 4 weeks after application. These results suggest that S. marcescens has potential as an effective and persistent biological control agent for rice sheath blight.     

Isarfelin, a peptide with antifungal and insecticidal activities from Isaria felina

Isarfelin, a peptide with inhibitory activity on mycelial growth in Rhizoctonia solani and Sclerotinia sclerotiorum and insecticidal activity toward Leucania separata, was isolated from the mycelia of Isaria felina. The IC₅₀ value of its antifungal activity against R. solani was 3.1 μg mL⁻¹. However, it was devoid of activity toward several bacterial species including Bacillus subtilis, E. coli and Staphylococcus aureus. The isolation procedure involved ethanol extraction, adsorption on YPR II macropore adsorption resin, ethyl acetate extraction, petroleum ether precipitation and recrystallization from ethyl acetate.     

玉米纹枯病抗性相关miRNA的鉴定与功能分析

MicroRNA (miRNA)是一类内源性非编码小分子RNA,通过指导剪切或者抑制翻译等方式调节植物基因的表达,参与调控植物的生长发育,并在多种非生物与生物胁迫响应中发挥重要作用. 但目前关于玉米纹枯病抗性相关miRNA表达调节与功能尚不十分清楚. 本研究结合直接克隆法与生物信息学分析,鉴定玉米纹枯病抗性相关9个新的玉米miRNA和已知的zma-miR168a、zma-miR168a*;WMD 3软件进行靶基因预测显示,共获得靶基因总数34个,靶基因功能主要涉及玉米的抗氧化胁迫机制、自身反馈调节、转录调控途径、抗病相关代谢途径以及毒物转运外排等调控过程;实时定量PCR检测miRNA显示,耐感纹枯病材料R15和Ye478叶片和叶鞘中共有9个miRNA受纹枯病感染诱导发生特异性差异表达. 本研究结果提示,玉米纹枯病抗性相关 miRNA介导的玉米对纹枯病诱导产生可能的抗病途径构成了玉米抗纹枯病侵染复杂的防御机制.     

小麦-鹅观草第一部分同源群染色体渗入系鉴定与基因组归属分析

鹅观草（Roegneria kamoji,2n=42,SSHHYY）是小麦异源六倍体野生近缘种,对小麦赤霉病具有良好抗性,是改良小麦赤霉病抗性的重要遗传资源。通过远缘杂交,将鹅观草第一部分同源群染色体上的抗赤霉病基因Fhb6导入普通小麦。由于第一部分同源群染色体包含1S、1H和1Y三条染色体,为研究这些同源染色体对小麦赤霉病抗性的影响,筛选出4个鹅观草第一部分同源群染色体特异分子标记,通过PCR扩增鹅观草属不同野生种的基因组DNA,明确了抗赤霉病Fhb6基因位于鹅观草1Y#1染色体。进一步利用分子细胞遗传学技术从中国春与鹅观草的后代中选育出5份涉及鹅观草1Y#2和1S#2染色体的渗入系材料。其中：21RK?1为二体异代换系DS1Y#2(1A),21RK?2为二体异代换系DS1S#2（1D）,21RK?3为二体异附加系DA1S#2,21RK?4为1S#2和TW·1S#2S的双单体附加系,21RK?5为纯合TW·1S#2S易位系。这些新种质为小麦抗赤霉病基因的发掘及遗传改良奠定了基础。     

Fungal antagonists of the plant pathogen Rhizoctonia solani: selection, control efficacy and influence on the indigenous microbial community

A broad spectrum of fungal antagonists was evaluated as potential biocontrol agents (BCAs) against the soil-borne pathogen Rhizoctonia solani using a new combination of in vitro and in vivo assays. The in vitro characterisation of diverse parameters including the ability to parasitise mycelium and to inhibit the germination of Rhizoctonia sclerotia at different temperatures resulted in the selection of six potential fungal antagonists. These were genotypically characterised by their BOX-PCR fingerprints, and identified as Trichoderma reesei and T. viride by partial 18S rDNA sequencing. When potato sprouts were treated with Trichoderma, all isolates significantly reduced the incidence of Rhizoctonia symptoms. Evaluated under growth chamber conditions, the selected Trichoderma isolates either partly or completely controlled the dry mass loss of lettuce caused by R. solani. Furthermore, the antagonistic Trichoderma strains were active under field conditions. To analyse the effect of Trichoderma treatment on indigenous root-associated microbial communities, we performed a DNA-dependent SSCP (Single-Strand Conformation Polymorphism) analysis of 16S rDNA/ITS sequences. In this first assessment study for Trichoderma it was shown that the pathogen and the vegetation time had much more influence on the composition of the microbiota than the BCA treatment. After evaluation of all results, three Trichoderma strains originally isolated from Rhizoctonia sclerotia were selected as promising BCAs.     

15个杜鹃花品种叶片解剖结构与植株耐热性的关系

以15个杜鹃花品种为试材,利用扫描电镜观察叶片17项解剖结构,应用变异系数、相关分析和聚类分析对叶片解剖结构进行筛选,采用隶属函数对各品种的耐热性进行综合评价,探讨杜鹃花叶片解剖结构与植株耐热性的关系,为杜鹃花耐热品种选育、引种栽培及栽培区划分提供细胞学理论依据.结果表明: 杜鹃花叶片为典型的异面叶,表皮细胞垂周壁略呈波浪状,气孔为无规则形,仅分布于下表皮,品种之间有16项解剖结构指标差异达到极显著水平,仅下表皮厚度为显著水平;叶片角质层厚度、气孔密度、气孔宽度、栅栏组织厚度和组织结构疏松度是影响耐热性的主要叶片解剖结构性状,而叶片厚度、气孔长度、孔径、气孔开度、海绵组织厚度、栅海比、上下表皮细胞长度和厚度、组织结构疏松度、中脉厚度与植株耐热性的关系不大.15个品种杜鹃花耐热性存在一定差异,其强弱顺序为:松江大桃红>状元红>绿色光辉>粉珍珠>外国红>蓝茵>笔止>大和之春>国旗红>玉玲珑>红珊瑚>宁波红>套瓣朱砂>爱丁堡>琉球红.15个品种杜鹃花抗热性可划分为4类:松江大桃红、状元红和绿色光辉为抗热类型;粉珍珠、外国红、蓝茵、笔止、大和之春、国旗红和玉玲珑为中度抗热类型;红珊瑚、宁波红、套瓣朱砂和爱丁堡为低抗热类型;琉球红为不抗热类型.杜鹃花耐热性的准确评价需参考形态结构、生理生化、遗传等因素,以及杜鹃花高温受害及受害后恢复状况.