真菌是造成作物大量减产的常见病原体，玉米穗腐病（Ear rot, ER）主要由镰孢菌或曲霉菌引起，对全球玉米生产构成重大挑战。ER抗性是受微效多基因调控的数量性状，迄今为止，多环境稳定遗传位点鲜有报道，只有少数ER抗性基因被鉴定出来。如何快速挖掘ER抗性基因并解析其分子机制、有效平衡ER抗性与产量的关系仍然面临诸多挑战。

2024年10月22日，北京科技大学生物农业研究院万向元教授团队在国际性学术期刊Journal of Advanced Research (IF: 11.4，综合类TOP1区期刊) 发表了题为“Regulatory balance between ear rot resistance and grain yield and their breeding applications in maize and other crops”的大数据整合分析文章。研究通过对目前已知玉米ER抗性相关QTLs和QTNs进行整合分析鉴定出ER抗性遗传定位热点区，结合多组学分析对热点区间内候选基因进行预测与分析，鉴定出了162个环境稳定位点（Environmentally stable loci, ESLs）和1391个响应镰孢菌或曲霉菌浸染的保守差异表达基因（Differentially expressed genes, DEGs）。此外，结合比较基因组方法探讨了玉米ER、小麦赤霉病（Fusarium head blight, FHB）和水稻恶苗病（Rice Bakanae disease, RBD）抗性位点的共线性，以及抗性位点与产量位点之间的共定位，为解析作物免疫调控机制和产量平衡机制提供了有价值的信息和观点。

文章首先通过文献计量方法回顾了玉米抗穗腐病研究历史，共发掘已报道的335个ER抗性QTL和3662个ER抗性QTN。定义被重复QTL定位3次及以上或一个0.5 Mb滑窗内包含3个及以上QTN的区间为一个ESL。最终鉴定出162个ER抗性ESL（图1A）。进一步分析发现可通过QTL定位和GWAS两种方法相互验证的ESL为9个（图1B），至少调节两种ER抗性的多效遗传热点为11个（图1C）。

图1. ER抗性遗传热点

结合多组学分析，进一步鉴定出1391个至少在2项独立研究中被证明响应真菌侵染的DEG，其中297个DEG位于前述所鉴定ER抗性ESL（图2）。这些基因的表达模式可以分为8类，且相较于所鉴定1391个DEG，更多基因富集于抗病相关通路（图2）。其中65个基因（包括3个已报道的与ER抗性相关基因）富集于苯丙烷/类黄酮代谢、碳代谢、氨基酸生物合成、植物-病原体相互作用和谷胱甘肽代谢等通路，与ER抗性关系更为紧密。

图2. 来自不同分析候选基因的染色体分布及KEGG pathway分析

小麦FHB和水稻RBD均为主要由镰孢菌侵染所引起的真菌病害，鉴于玉米、小麦和水稻的具有共进化关系，研究探讨了这三个作物间的真菌抗性是否具有相似的遗传和分子基础。发现小麦A、B和D基因组与162个ER抗性ESL共线性区域中分别有45个、51个和24个区间携带FHB抗性相关QTL/QTN（图3）。水稻基因组与ER抗性ESL共线区域中有12个携带RBD抗性QTL/QTN（图3）。表明这3种作物的真菌抗性位点可能存在趋同进化，这为发现不同作物的新型抗性基因提供了有价值的信息和参考指导。

图3. 玉米、小麦和水稻基因组中真菌抗性位点的趋同性

上述抗病候选基因的鉴定暗示多种途径协同调控ER抗性，并为完善ER抗性分子调控网络提供了重要基因资源，因此构建出ER抗性调控网络：植物细胞表面模式识别受体感知到病原体相关分子模式并与受体样激酶（PTI途径）或细胞内的NLR识别到效应物（ETI途径）形成受体复合物后，信号会通MAPK级联反应、钙离子内流、ROS爆发、转录重编程和激素代谢等通路传递，最终诱导合成防御相关成分（主要是苯丙烷类化合物）或诱发程序性细胞死亡（图4）。

图4. ER抗性的分子调控网络及可提高玉米抗性的基因资源

为了进一步探讨玉米产量性状遗传热点与ER抗性相关性，文章比较了ER抗性和课题组前期所报道籽粒大小、穗部性QTL/QTN热点区间。发现71.01%的前期研究所鉴定籽粒性状QTL热点区间和80.72%的QTN热点区间与ER抗性ESL相重叠，129个已知籽粒性状调控基因中有21个位于ER抗性ESL；而49.67%的穗部相关性状QTL热点区间和30.59%的QTN热点区间与ER抗性ESL重叠，48个已知穗部性状相关基因中有10个定位于ER抗性ESL（图5）。暗示上述位点可能存在调节玉米防御和产量的紧密连锁基因或一因多效基因，对玉米产量和抗性协同改良具有指导意义。

图5. 玉米ER抗性ESLs与产量相关热点和已知基因的共定位

已有研究发现在水稻和玉米基因组中490个基因受到协同选择，该类基因主要存在于玉米、水稻和小麦基因组共线性区间（图6A, B），主要功能与作物产量相关。本研究分析发现其中有46个基因位于ER抗性ESL，且34个基因为ER响应DEG，其中包括与物质循环利用相关的细胞自噬相关基因，这类潜在兼具抗性功能基因相较其他主要调控产量基因受到选择程度显著降低（图6C），暗示这些基因在协同调控玉米产量与抗性中发挥重要作用。

图6. 玉米与水稻协同选择基因

据此，文章提出一个玉米抗性及产量平衡调控机制模型：在没有胁迫的环境中，植物利用光能通过碳循环将转化的能量与物质用于生长发育；当玉米遭受胁迫如真菌侵染时，植物防御系统被激活，植物生长所需的能量与物质将被分配用于抗性物质合成。在此过程中植物激素起到核心调控作用，碳循环和苯丙烷途径主要参与资源配置（图7）。

图7. 优化玉米抗性和产量的调控机制和基因资源

最后，文章提出综合利用遗传学、多组学和现代生物技术协同改良产量和抗病培育理想作物的方法和路径（图8）。本研究可为玉米抗病育种提供重要基因资源，为解析玉米及其他作物抗性和产量协同改良提供新思路。

图8. 作物产量和抗病协同改良的方法和路径

北京科技大学生物农业研究院博士生尹泽超和魏珣教授为论文共同第一作者，万向元教授、龙艳教授和董振营副教授为该文共同通讯作者。研究受到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jare.2024.10.024