小麦（Triticum aestivum L.）作为全球35%以上人口的主食作物，其高产稳产对粮食安全至关重要。然而，近年来小麦茎基腐病（Fusarium crown rot, FCR）的爆发式蔓延已成为威胁小麦生产的重大难题。当前，国内外尚未培育出对FCR高抗或免疫的小麦品种，抗病基因资源匮乏且分子调控机制不明，导致抗病育种进展缓慢。
       近日，我院陈锋教授团队联合北京大学邓兴旺院士团队在国际著名学术期刊PNAS上发表了题为“TaHSP18.6 and TaSRT1 interact to confer resistance to Fusarium crown rot by regulating auxin content in common wheat”的研究论文。该研究在小麦中通过GWAS等克隆到一个正向调控小麦FCR抗性的关键基因TaHSP18.6, 并解析了TaSRT1-TaHSP18.6^K171-TaIAAI模块通过介导生长素含量调控小麦FCR抗性的分子机制。

 

       为了挖掘新的小麦FCR调控基因，本研究对中抗小麦FCR的品种豫农268进行接菌不同时间点的转录组测序，联合GWAS分析、组织特异性表达和VIGS实验初步证实TaHSP18.6是一个潜在的FCR正向调控基因（图1A-H）。序列分析表明， TaHSP18.6具有四种单倍型，含有TaHSP18.6-Hap4 的品种对 FCR 表型出高抗（图1I）。进一步功能验证表明，TaHSP18.6-EMS突变体苗期和成株期 FCR抗性均减弱，而过表达转基因小麦FCR抗性增强，表明TaHSP18.6正向调控小麦FCR抗性。
 

 

图1 TaHSP18.6的克隆

       为了阐明TaHSP18.6调控小麦FCR的机制，以TaHSP18.6蛋白为诱饵，通过酵母双杂交筛选小麦cDNA文库，确定了一个组蛋白去乙酰化酶TaSRT1。多种技术证实TaHSP18.6和TaSRT1存在互作（图2A-C）。Cell-free、小麦体内、烟草水平及CHIP实验表明，TaSRT1通过直接去乙酰化TaHSP18.6和组蛋白去乙酰化（H3K23ac）两种途径降低TaHSP18.6的蛋白积累（图2D-K）。转基因小麦IP-MS结果表明，TaHSP18.6存在4个乙酰化修饰位点（K108、K110、K168 和 K171）。自然变异中，TaHSP18.6抗感倍型间存在（K171/M171）的替换，体内外实验证实，抗性倍型TaHSP18.6^K171比感病TaHSP18.6^M171具有更强的乙酰化修饰和更高的蛋白丰度。三点突去乙酰化模拟（TaHSP18.6^{K108R/K110R/K168R}）、体内外去乙酰化实验、质谱测序、Cell-free和烟草水平实验证实，K171是TaSRT1直接去酰化的关键位点，且相较于TaHSP18.6^M171，TaSRT1 能更有效地降低TaHSP18.6^K171 的蛋白积累（图2L-Q）。以上研究表明，TaSRT1对抗感倍型TaHSP18.6^K171和TaHSP18.6^M171存在差异乙酰化调控，这可能是导致2种倍型存在FCR抗性差异的原因。功能验证实验表明，TaSRT1-EMS突变体苗期和成株期 FCR抗性均增强，而过表达转基因小麦FCR抗性减弱，表明TaSRT1负向调控小麦FCR抗性。

 

图2 TaSRT1通过去乙酰化TaHSP18.6 ^K171降低其蛋白积累

       为了找到TaHSP18.6调控小麦FCR的原因，重新分析筛库结果，发现了一个生长素信号传导基因TaAux/TaIAA1。进一步结合蛋白互作、转录组测序、KEGG分析、qRT-PCR、VIGS 实验证实TaIAA1负向调控小麦 FCR 抗性，且沉默TaIAA1后小麦IAA含量增强。TaHSP18.6和TaSRT1突变体和过表达株系中的生长素含量均呈现显著变化。外源生长素灌根实验表明生长素显著增强了Fielder、TaHSP18.6-EMS突变体和 BMSV-TaHSP18.6 中的小麦 FCR抗性。最后，作者提出了一条由TaSRT1-TaHSP18.6-TaIAA1 构成的级联反应通路，该通路通过调节内源性生长素含量来调控小麦对FCR的抗性（图3）。本研究克隆出一个有价值的 FCR抗性基因 TaHSP18.6，并解析了其抗感倍型通过差异乙酰化调控小麦FCR的分子机制。此外，适当的生长素施用可能有助于开发用于作物保护的环境友好型农药。

 

图3 TaHSP18.6调控小麦FCR抗性的机制

       我院青年教师张宁副教授和硕士研究生刘璐为论文共同第一作者，我院张宁副教授、北京大学现代农业研究院邓兴旺院士、我院陈锋教授为该论文共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省自然科学基金-优秀青年基金等资助。

编辑/杨航 签审/方芳