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为花生穿上＂抗病铠甲＂: 河南农业大学殷冬梅教授团队揭示花生抗青枯病关键基因AhBWR15及其分子调控机制

  • 2026-11-03 23:16:49
为花生穿上＂抗病铠甲＂: 河南农业大学殷冬梅教授团队揭示花生抗青枯病关键基因AhBWR15及其分子调控机制
编译: 曹增辉 责编: 胡心如 审核: 任锐 统筹: 邵瑞鑫
文献速递

近日，河南农业大学殷冬梅教授团队在Plant Biotechnology Journal上发表了题为“AhBWR15, A Novel RLK Gene, Confers Resistance to Ralstonia solanacearum in Peanut”的研究成果，该研究在Chr15染色体精细定位到抗青枯病的关键基因AhBWR15，该基因能够通过激活脱落酸（ABA）信号通路来显著增强对青枯病的抗性，为培育抗青枯病花生品种提供了宝贵的遗传资源。

引言

花生（Arachis hypogaea L.）是全球范围内最具重要性的油料和粮食作物之一。作为中国在国际市场上具有竞争力的作物品种之一，提高产量和质量对于推动花生产业的发展至关重要。青枯病（BW）是由青枯菌（Ralstonia solanacearum）引起的严重花生病害。这种土壤传播的青枯菌能感染超过 200 种植物，对全球粮食安全构成了严重威胁。青枯病会导致花生种子质量下降以及严重的产量损失（50%-100%）。尽管已经开发出了多种化学和生物防治剂，但通过利用天然抗性来培育具有持久抗青枯病能力的作物品种，仍是最有效且最环保的策略。

结果与分析

在此研究中，我们选择了殷冬梅教授培育的高抗青枯病的品种“农大花 108”（H108）和易感品种“农大花 107”（H107）构建 F2 群体（432 个单株），选取 30 个极端抗病（ER）和 30 个极端感病（ES）单株分别构建抗病池（RB）和感病池（SB）。对亲本及两个混池进行全基因组重测序，共产生 50.14-77.62 Gb 高质量数据，鉴定到 1,502,829 个 SNP 和 103,996 个 InDel。通过 Δ(SNP-index)分析，在 15 号染色体（B05）131.98-137.77 Mb 区间定位到一个新的主效 QTL qBWR15，区间大小为 5.9 Mb，该区域与此前报道的花生青枯病抗性 QTL 均不重叠，为全新抗性位点。

图1 花生青枯病抗性基因 AhBWR15 的定位与抗病机制解析模式图
利用包含 151 个 F5 代系的重组自交系（RIL）群体进行遗传连锁分析，最终将 qBWR15 精细定位至标记 ZH_SSR2 和 ZH_InDel9 之间的 668 kb 区域。该区间包含 32 个注释基因，序列比对发现 4 个基因存在非同义突变，其中仅编码亮氨酸重复受体激酶（LRR-RLK）的基因 AH15G25210（命名为AhBWR15）在 H108 各组织中高表达，且受青枯菌诱导显著上调，被确定为关键候选基因（图1、2）。

图2 qBWR15 的精细定位及鉴定

序列分析显示，AhBWR15 的第一外显子 1216 bp 处存在 G>A 非同义突变，导致第 618 位氨基酸由甘氨酸（G）替换为天冬氨酸（D），该位点位于跨膜结构域（TM）和丝氨酸/苏氨酸激酶结构域（STK）之间。对 238 份花生自然种质资源的基因型检测表明，该突变仅存在于 H108 及其RIL中。单倍型分析显示，151 个 RIL 群体中 64% 的抗病株系携带抗病单倍型（Hap-R），76% 的感病株系携带感病单倍型（Hap-S），蛋白质三维结构预测证实突变导致其胞外结构域形成新的氢键网络，影响功能构象。在青枯菌感染下，花生根部AhBWR15 的表达呈现上调趋势，H108 中的表达水平显著高于 H107（p < 0.05）。感染后 H108 根部 AhBWR15 的快速且持续的上调突显了其对病原体反应的直接参与。外源性水杨酸（SA）处理导致两个品种中 AhBWR15 的表达显著上调，H108 的诱导作用明显强于 H107（p < 0.05）。茉莉酸（JA）也使两个品种中的 AhBWR15 表达上调。同样，ABA 处理在 H107 中引发了更高的 AhBWR15 表达。这些研究结果表明，AhBWR15 能够整合 SA（水杨酸）、JA（茉莉酸）和 ABA（脱落酸）信号通路，从而发挥抗青枯病的作用。亚细胞定位实验表明，AhBWR15-YFP 融合蛋白与细胞质膜标记基因 PIP2a-RFP 共定位，证实其定位于细胞质膜，符合 LRR-RLK 家族跨膜受体的特征（图3）。

图3 候选基因 AhBWR15 的等位基因序列及表达分析

构建 35S::AhBWR15-YFP 过表达载体，进行瞬时转化实验：花生叶片转化后接种青枯菌（1×10⁸ CFU/mL），3 dpi 时病斑面积显著小于空载体对照的病斑面积，台盼蓝染色显示细胞死亡率显著降低，抗青枯病相关基因 AhDef2.2、AhPYL6、AhHRS203 表达量显著上调；烟草叶片转化后接种青枯菌，病斑面积减少，DAB 染色显示活性氧（ROS）积累量降低，抗病相关基因 NbHRS203、NbNPR1、NbEFE26、NbNDR1 的表达量较对照提升，证实AhBWR15 的抗病功能在不同物种中保守（图4）。

图4 在花生和烟草叶片中瞬时过表达 AhBWR15 能增强对青枯病的抗性

通过发根农杆菌介导的花生毛状根转化获得AhBWR15 过表达植株（OE-AhBWR15）。接种青菌后：28 dpi 时 OE-AhBWR15 株系存活率显著高于 WT；病指指数远低于 WT；根尖内青枯菌数量统计表明 AhBWR15 能有效抑制病原菌在根系的定殖。毛状根转化验证证明过表达AhBWR15 显著提升花生抗病性，抑制病原菌增殖（图5）。对 OE-AhBWR15 和 WT 的根系进行 RNA-seq 分析，共鉴定到 4099 个差异表达基因（DEGs），其中 574 个核心 DEGs 同时在 OE-R.S vs OE-CK 和 OE-R.S vs WT-R.S 比较组中上调，显著富集于 ABA 信号通路、植物-病原菌互作、光合作用和苯丙烷生物合成途径。在青枯菌感染后，对野生型（WT）和过表达 AhBWR15 基因的植株根部的内源性脱落酸（ABA）水平进行了测量，结果发现过表达组的 ABA 水平有所升高。将脱落酸生物合成抑制剂钨酸钠应用于 H108 植株，削弱了H108对青枯病的抗性。这些结果表明，AhBWR15 通过激活依赖于 ABA 的防御反应来提供抗性（图5）。
在这 574 个差异表达基因中，有 38 个与光合作用相关的基因显著上调，这表明在受到青枯菌侵染的花生植株中，AhBWR15 通过调节光合作用维持了光合作用活性。对PSII 效率（Fv/Fm 值）和叶绿素含量（SPAD 值）的测量进一步证实了 AhBWR15 在抗青枯病期间对光合作用的维持作用。此外，对苯丙素代谢途径的分析显示，在受青枯菌感染的植株中，phenylalanine ammonia-lyase (PAL)，chalcone isomerase (CHI)，cinnamoyl-CoA reductase (CCR) 和peroxidase (POD)得到了显著诱导。鉴于苯丙烷代谢与木质素生物合成和细胞壁组织有关，进行了 phloroglucinol（PG）染色和 suberin fluorol yellow (FY)染色以检查花生根细胞壁。对毛状根横切面的 PG 染色表明，青枯菌侵染抑制了WT花生植株根部的细胞壁发育，而 OE-AhBWR15 植株的根部细胞损伤程度较轻。FY 染色结果显示，OE-AhBWR15 植株的根部细胞壁中积累了更多的木质素。这些发现共同表明，AhBWR15 通过促进与脱落酸信号相关的防御反应以及维持细胞壁结构和高效的光合作用，使花生具备了抗青枯病的能力。

图5 花生中由 AhBWR15 介导的对青枯病抗性的分子机制

小结

该研究通过 BSA-seq 定位与精细定位，克隆到花生抗青枯病新基因 AhBWR15，阐明农大花108独特的高抗青枯病位点，揭示了其通过ABA 信号通路激活、木质素沉积与光合保护协同作用等抗病核心机制；同时开发了 KASP 标记辅助花生青枯病高效分子育种。该成果不仅解析了花生抗青枯病的分子机制，也为培育高产高抗青枯病花生新品种提供基因资源和宝贵材料。

研究团队

河南农业大学博士研究生曹增辉为第一作者，殷冬梅教授、任锐副教授（校聘）为论文共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金联合重点项目、河南省重点研发、河南省产业技术体系等项目资助。殷冬梅教授领衔的河南农业大学花生功能基因组创新团队，依托于河南省花生基因组与分子育种工程技术研究中心，主要从事花生基因组与功能基因挖掘，产量等性状形成机制与调控等方面的研究。围绕花生种业“卡脖子”等重要科学问题开展工作，已在Nature Genetics、Advanced Science、Genome Biology、Plant Biotechnology Journal、New Phytologist等国际著名期刊上发表了150余篇学术性文章，取得多项原创性研究成果。

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