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New Phytologist|小麦研究中心为小麦抗病遗传改良提供重要理论依据和基因资源
发布日期:2022-07-20 浏览次数:  信息来源:太阳集团城娱8722


2022年7月13日,New Phytologist在线发表了来自太阳集团tcy8722农学院小麦研究中心题为 “Histone acetyltransferase TaHAG1 interacts with TaPLATZ5 to activate TaPAD4 expression and positively contribute to powdery mildew resistance in wheat” 的研究论文,该研究报道了小麦组蛋白乙酰转移酶TaHAG1通过与转录因子TaPLATZ5互作共同激活病原菌响应途径关键基因TaPAD4的表达参与小麦白粉病抗性调控的分子机制,为小麦抗病遗传改良提供了重要理论依据和基因资源。

小麦(Triticum aestivum L.)是全球最重要的主粮作物之一,然而其生长发育的各个阶段都极易受到各种病害的侵扰。白粉病等植物病害每年造成全球作物减产可达30%,严重威胁世界和我国粮食安全。选育和推广抗病新品种是防治作物病害更为经济、有效和环保的策略。解析小麦抗白粉病的分子机制,创制抗病基因聚合材料,可为抗病新品种培育提供新策略。

前人多篇研究表明,乙酰/去乙酰化这种动态修饰过程在植物体内初期激活对各类病害免疫方面发挥着重要作用。然而目前尚未有明确研究表面究竟HAT和HDAC家族中哪些成员能明确提高小麦对白粉菌的抗性。基于上述研究背景,我们对HAT和HD家族中多个成员基因敲除株系进行了表型鉴定,发现TaHAG1编码一种小麦组蛋白乙酰转移酶基因,敲除后对白粉菌十分敏感。超表达TaHAG1同样在接菌后2天可以通过在白粉菌侵染附近的细胞处产生坏死斑的方式来阻止白粉菌的蔓延,而TaHAG1基因敲除株系则正好相反。另外我们还测定了TaHAG1转基因材料的过氧化氢和SA含量,发现白粉处理后超表达TaHAG1可以明显增加白粉接菌后叶片中H2O2和SA含量,而基因敲除株系则正好相反。

 

 

随后为了进一步分析TaHAG1调控的下游靶基因,我们利用TaHAG1-OE和WT进行白粉菌接种前后多个时间点的转录组测序。从中我们发现了H2O2和SA积累密切相关的基因TaPAD4。随后鉴定出富集于SA和H2O2积累通路的候选基因TaPAD4。TaPAD4 属于abhydrolase超家族,含有与拟南芥AtPAD4相同的蛋白质结构域。亚细胞定位测定表明TaPAD4蛋白定位于细胞质和细胞核中。进一步对TaPAD4的转基因材料进行表型鉴定发现,接菌后TaPAD4敲除后植株相比于受体野生型fielder,对白粉菌更加敏感。考马斯亮蓝染色后显微镜观察发现基因敲除株系白粉菌扩散速度更快。而超表达TaPAD4会有部分细胞产生坏死斑进而阻止白粉菌的蔓延,进而使其获得比野生型WT更强的白粉病抗性。另外我们还测定了TaPAD4转基因材料的过氧化氢和SA含量,发现结果与TaHAG1转基因材料类似。

 

随后我们对TaHAG1基因进行了酵母筛库,并从中找到了一个受白粉菌诱导表达的候选基因TaPLATZ5。BiFC、LCI、Pull-down和Co-IP等实验进一步验证了两者的相互作用。接着我们为了进一步探究TaPLATZ5能否调控TaPAD4的表达,我们进行了点对点酵母单杂和EMSA实验,发现TaPLATZ5确实可以结合在PAD4特定的AT-rich上调控TaPAD4的表达。利用BSMV-VIGS技术,我们获得了TaPLATZ5的基因敲低材料,显微镜下观察白粉接菌2天的材料, PLATZ5基因敲低株系后相对于野生型Fielder中视野内坏死斑明显减少,这一表型鉴定结果也进一步证实TaPLATZ5可以正向调控TaPAD4的表达。

 

接着我们为了进一步验证TaHAG1是否直接调控TaPAD4,我们利用GFP抗体,H3K9,14抗体对TaHAG1各类转基因株系进行了Chip实验,发现TaHAG1确实可以结合在TaPAD4基因启动子上并提高白粉接菌后其H3K9,K14乙酰化修饰水平。发现PLATZ5表达量下降,使TaPAD4启动子上H3K9,K14乙酰化修饰水平同样也降低。另外我们还在烟草中利用转录激活实验,证实相比于单独TaHAG1或TaPLATZ5,共表达TaHAG1和TaPLATZ5可以更显著的增加TaPAD4基因的表达,同时如果AT-rich被突变后,这种激活幅度会显著降低。以上结果进一步证明了转录因子TaPLATZ5和小麦组蛋白乙酰转移酶TaHAG1可以以复合物形式共同激活TaPAD4基因的表达,进而提高小麦对白粉菌的抗性。

 

该研究报道了小麦组蛋白乙酰转移酶TaHAG1通过与转录因子TaPLATZ5互作共同激活病原菌响应途径关键基因TaPAD4的表达参与小麦白粉病抗性调控的分子机制,为小麦抗病遗传改良提供了重要理论依据和基因资源。

 

太阳集团tcy8722农学院小麦研究中心胡兆荣副教授为该论文的通讯作者,已经毕业的宋娜博士、在读博士生林靖辰和刘星贝为该论文的共同第一作者。小麦研究中心孙其信教授、解超杰教授、倪中福教授、彭惠茹教授、辛明明教授、姚颖垠教授、郭伟龙副教授对该工作进行了指导和帮助。特别感谢已经毕业的高玉姣博士和安可心同学提供的TaHAG1基因的CRISPR基因编辑材料, 另外还要特别感谢刘泽辉和刘德彪两位师弟在各环节对本研究的帮助。感谢陈永明同学对本研究RNA-seq数据的分析整理,同时特别感谢小麦中心杨祖欢博士在小麦VIGS实验上的指导和帮助!

本研究得到了国家自然科学基金(32171971,32072001)、国家自然科学基金重点项目(32130078)和中国农大“2115人才工程”的资助。


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