JIPB | 河南农业大学玉米生物技术团队发现玉米生长和抗病平衡调控新机制

多种病害的发生会使玉米等作物的产量受到严重影响，因此抗病、高产是作物遗传育种的重要目标。随着众多抗病基因被克隆，利用分子手段进行作物抗病性改良具有良好的应用前景。然而，由于生长与免疫间存在拮抗作用，抗病基因难以得到有效利用，常出现作物抗病但不高产甚至减产的现象。因此，对抗病与生长平衡调控机制的研究有望打破这一育种障碍，最终实现玉米等作物的抗病性与产量协同提升。

近日，河南农业大学农学院玉米生物技术团队苟明月教授课题组在JIPB在线发表了题为“Regulation of maize growth and immunity by ZmSKI3-mediated RNA decay and post-transcriptional gene silencing”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.13780)，该研究发现玉米的生长和抗病性受到转录、mRNA降解和转录后基因沉默（PTGS）三个层次的精密调控，提出了实现玉米生长和抗病平衡的新策略。

在植物生长发育过程中，mRNA含量需要维持在适当水平，由外切体exosome和SKI复合体组成的切割体复合物主要负责细胞质中mRNA的3’-5’降解。其中，SKIs复合体由SKI2、SKI3和SKI8三种不同的亚基组成。该研究发现玉米ZmSKI3基因的功能缺失突变体表现出籽粒变小和植株矮化表型，暗示ZmSKI3正调控玉米生长发育。通过接病性鉴定、抗病标志基因表达水平和防御激素含量检测，发现Zmski3突变体对弯孢叶斑病的抗性明显增强，而过表达ZmSKI3转基因材料更感弯孢叶斑病和小斑病，说明ZmSKI3负调控玉米抗病性（图1）。这些结果表明ZmSKI3介导了对玉米生长和抗病性的双重调控作用。

通过转录组分析发现，抗病防御通路的基因在Zmski3突变体中显著上调表达，而光合作用等生长相关基因在突变体中显著下调表达。其中，223个基因在突变体中显著上调而在过表达株系中显著下调表达，这些基因的转录本可能是ZmSKI3的潜在调控底物。通过添加mRNA转录抑制剂虫草素进行mRNA降解实验发现，多个底物mRNAs的降解速率在Zmski3突变体中显著变慢，证明ZmSKI3介导了玉米mRNAs特别是防御相关mRNA的降解（图2）。此外，该研究还利用siRNA测序对siRNA的积累进行了分析。在突变体中积累量显著增加的siRNA靶向了190个基因，这些基因中防御相关基因显著富集。而在突变体中积累量显著减少的siRNA靶向了102个基因，这些基因中与生长相关的基因显著富集（图2）。这些结果表明，在Zmski3突变体中生长与抗病防御相关基因受到PTGS的差异化调控，防止免疫系统被过度激活和生长相关基因表达被过度抑制，从而实现玉米生长和抗病的平衡。

图2. Zmski3突变体的转录组、RNA降解及siRNA测序分析

图3.玉米生长和抗病平衡受到三个层次的精细调控

河南农业大学农学院在读博士生高洁为论文的第一作者，河南农业大学农学院玉米生物技术团队李见坤副教授、汤继华教授和苟明月教授为论文通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省重点研发计划及河南省科技攻关等项目的资助。

苟明月教授课题组主要从事玉米抗病、细胞壁合成及生长发育调控机制研究与分子育种工作，近年来在玉米广谱抗病性及抗性与生长平衡研究中取得重要进展。在Nature Plants、Nature Communications、Plant Cell、EMBO Journal、Journal of Integrative Plant Biology、Plant Journal、Plant Physiology、Journal of Experimental Botany、The Crop Journal等期刊发表论文30余篇，论文被引用2100余次。