内体分选转运复合体I关键组分在玉米抗病防卫反应中的功能解析

NB-LRR (Nucleotide binding-leucine rich repeat) protein is the largest number of resistant (R) proteins in plant, which plays important roles in resistance to multiple diseases. After R protein is activated, plant produces a number of defense responses, including the induction of the hypersensitive defense response (HR), however, the molecular mechanism has not been fully understood. In maize, Rp1-D21 encodes a CC-NB-LRR protein, the mutation in which shows autoacitve HR phenotype. Thus Rp1-D21 mutant is an ideal material to investigate the molecular mechanism of HR induction. We previously found that UEV and VPS37, the two key compounds in endosomal sorting complex required for transport-I (ESCRT-I), are related with Rp1-D21-mediated HR phenotype. UEV and VPS37 can bind the CC (Coiled-coil) signaling domain of Rp1-D21 to affect the HR phenotype. Based on these results, we will systematically investigate the molecular and biochemical mechanisms of how UEV and VPS37 regulate the protein sorting of Rp1-D21 and affect the HR phenotype. We will further construct the gene editing and over-expression lines for UEV and VPS37 in maize and evaluate their resistance response to the major maize diseases. This study will reveal the molecular mechanism of ESCRT-I in HR regulation and how it functions in R protein mediated disease resistance. It will provide new strategies and novel gene resources for the genetic improvement in disease resistance in maize and other crops.

NB-LRR蛋白是植物中数量最多的一类抗病(R)蛋白，在多种病害的抗性中发挥重要作用。R蛋白激活后可介导一系列抗性反应，包括超敏反应(HR)的诱发，但R蛋白激活后导致HR的分子机理尚未得到彻底解析。玉米Rp1-D21编码一个CC-NB-LRR类抗病蛋白，其突变可导致组成型的HR表型，是深入解析HR诱发分子机理的理想材料。我们前期发现，内体分选转运复合体I(ESCRT-I)的关键组分UEV和VPS37与Rp1-D21介导的HR相关联，它们可与Rp1-D21的CC信号功能域结合，从而影响其介导的HR表型。在此基础上，本研究拟利用分子和生化技术系统研究UEV和VPS37调控Rp1-D21的分选与机制，并通过基因编辑与过表达技术研究它们在玉米抗病中的作用。研究结果可深入揭示植物ESCRT-I复合体对R蛋白行使功能以及调控HR的分子机理，同时可能为玉米及其它作物抗病性的遗传改良提供新策略和新基因源。

玉米病害的发生给玉米的生产带来巨大的损失。然而抗病基因相对缺乏，严重影响玉米的抗病育种。因而，挖掘新的抗病基因并研究其抗病机理，对解决这一问题具有重要作用。植物通常利用NLR蛋白来感知病原菌侵染并触发超敏感防卫反应（HR）。玉米 Rp1-D21 是由两个 NLR 蛋白通过分子内重组产生的突变体，表现出植株矮小，叶片上出现类病斑表型。内体分选转运复合物（ESCRT）是一种保守的多亚基复合物，对多泡体的生物发生和货物蛋白分选至关重要。VPS23和VPS37是 ESCRT-I 复合物的关键组成部分，在植物发育和非生物胁迫中发挥重要作用。前人通过不同的玉米遗传群体研究发现，玉米中VPS23的同源蛋白ZmVPS23L是在NLR蛋白Rp1-D21介导的HR中发挥功能的主要候选基因。本研究我们通过烟草瞬时表达系统证明了ZmVPS23L能抑制了Rp1-D21介导的HR。进一步通过遗传分析，将Rp1-D21杂交到ZmVPS23L转基因过表达和突变体植株中，发现ZmVPS23L在Rp1-D21介导的HR中发挥负调控作用。ZmVPS23L对HR的抑制作用在不同ZmVPS23L等位基因之间的变化与其表达水平呈正相关。ZmVPS23L的同源蛋白ZmVPS23也抑制Rp1-D21介导的HR。ZmVPS23L和ZmVPS23主要定位于内体，它们与Rp1-D21的CC结构域发生相互作用，并将Rp1-D21从细胞质和细胞核重新定位到内体中。总之，我们证明ZmVPS23L和ZmVPS33在Rp1-D21介导的HR中充当负调节因子，它们可能是通过蛋白相互作用将Rp1-D21隔离在内体中从而抑制HR。我们的发现揭示了ESCRT成分在控制植物NLR介导的防卫反应中的新作用。这些研究成果的取得，将为玉米的抗病遗传改良提供理论基础和新基因资源。