玉米抗灰斑病主效基因qGLS1.02的克隆及作用机理解析

At present, maize gray leaf spot (GLS), caused by the fungus Cercospora zeae-maydis, is recognized as one of the most significant yield-limiting diseases. To control the disease, detecting resistant genes for GLS and breeding some good varieties is a cost-effective way. Based on the previous research results(Maize resistant main gene qRGLS1.02 pinpoint to 1.14 Mb), this study used the chromosome segment substitution lines 15SY15, which containing 1.14Mb target QTL region, and derived from a cross of Ye478(susceptible) as the recurrent parent and Qi319 (resistant) as the donor parent, as material, and used the sequential QTL fine-mapping procedure for further narrowing the QTL interval to less than 100 Kb. Map-based cloning, sequence analysis and functional verification of gene qGLS1.02 will be conducted through screening BAC library of the donor parent. And using RNA-seq technique detect the mRNA expression profile of the chromosome segment substitution lines and the recurrent parent under normal conditions and pathogen stress conditions . Based on RNA level, to parse corn resistant disease signal network and metabolic pathways regulated by gene qGLS1.02, and explore disease resistance molecular mechanism of new gene. The results of this study will provide useful information on understanding GLS genetic mechanism and its usage on molecular assisted selection.

当前，尾孢菌引起的玉米灰斑病严重影响着玉米生产，发掘抗灰斑病基因并应用于抗病品种选育是经济有效的防控途径。本研究在前期研究成果（玉米抗灰斑病主效基因qGLS1.02精细定位到1.14Mb）基础上，以感病自交系掖478为轮回亲本，抗病自交系齐319为供体亲本构建的含有1.14Mb目标染色体区间的片段代换系15SY15为试材，利用基于重组个体后代测定的连续精细定位，锚定QTL区间至100Kb以内，通过筛选供体亲本BAC文库，图位克隆qGLS1.02基因，同时进行基因序列分析及功能验证；并利用转录组测序技术对进一步筛选获得的含100Kb目标染色体区间的片段代换系和轮回亲本在正常条件下和玉米灰斑病尾孢菌胁迫条件下的mRNA表达谱进行分析，从RNA水平解析主效基因qGLS1.02调控玉米抗灰斑病的信号通路和代谢途径，探索新基因的抗病分子机制，以期为抗玉米灰斑病的分子育种奠定基础。

尾孢菌引起的玉米灰斑病，在世界各地普遍发生，我国玉米产区危害较重。最经济有效的防病途径是以种植抗病品种为主的综合防治，因此挖掘优异的抗灰斑病种质及其基因，并解析其抗性机制具有重要意义。.本研究以感病自交系掖478为轮回亲本，抗病自交系齐319为供体亲本构建的片段代换系15SY15为试材，利用基于重组个体后代测定的连续精细定位，将抗病基因定位到96Kb区间。区间内基因组序列分析,转录组基因差异表达分析及qPCR验证，确定了玉米抗灰斑病候选基因ZmPMT1。从抗感材料分别克隆该基因启动子序列、基因组序列、CDS序列，材料间存在较大差异。生物信息学分析，该基因编码糖醇转运蛋白，并且存在引起磷酸化差异的氨基酸变异。该基因EMS突变体比野生型表现感病，且杂合突变感病程度介于野生型与纯合体之间。在X249（ZCO1）中过表达抗病亲本CDS，转化体灰斑病抗性增强。进一步进行了B104基因敲除和互补验证试验，将于2021年进行表型鉴定。对片段代换系和轮回亲本在玉蜀黍尾孢菌胁迫条件下的mRNA表达谱进行分析，ZmPMT1基因受到病原菌诱导上调表达，抗病材料比感病材料中表达量显著提高，但不能预测到ZmPMT1基因引起的代谢通路，推测该基因参与的抗病通路未见报道。利用酵母双杂交筛选跨膜受体激酶，ZmBAK1, ZmCERK1, ZmNIK1与ZmPMT1存在互作，可能与ZmPMT1协同调控玉米灰斑病抗性。对突变体和野生型材料中质外体糖分含量比较，突变体中果糖含量上升，葡萄糖含量显著下降，推测可能与该基因功能相关。对病原菌不同碳源培养，玉蜀黍尾孢菌在果糖培养基中生长受到抑制，不能产生菌落，间接推测该基因与果糖代谢有关。本研究证明了ZmPMT1基因调控玉米对玉蜀黍尾孢菌灰斑病抗性，为抗玉米灰斑病的分子育种奠定了基础。但该基因的转运功能及其互作蛋白参与玉米抗灰斑病的分子机制及互作网络，需要进一步研究。