广东
紫花苜蓿被誉为“牧草之王”，全球年种植面积超过3300万公顷，是奶业和畜牧业的重要物质基础。疫霉根腐病（Phytophthora root rot）是多年生紫花苜蓿的主要病害之一，对感病品种造成的产量损失可高达68%。疫霉菌能在土壤中长期存活，且遗传变异速度快，常规杀菌剂不仅防控效果有限，还会引发环境污染和食品安全问题。因此，抗病育种是防治紫花苜蓿疫霉根腐病最经济有效和可持续发展的路径。
近日，中国农业大学生物学院董江丽/王涛团队联合内蒙古大学牛一丁团队在The Plant Cell杂志上发表了题为“Regulation of the immunity-related VIK-APK-EDS1 pathway in Medicago for resistance to Phytophthora”的研究论文，揭示了VIK-APK-EDS1通路调控苜蓿抗疫霉根腐病的工作机理，为苜蓿抗病育种提供了新基因资源。
研究团队首先在截形苜蓿Tnt1突变体库中筛选到植株矮小、叶片卷曲、不结种子的突变体NF15906，鉴定到其表型由APK基因突变导致。转录组数据表明，在apk突变体中免疫通路异常激活；进一步研究发现，APK基因缺失造成植物叶片自发性坏死、细胞内ROS大量爆发、胞内Ca2+离子过量积累、免疫相关基因上调表达并增强植物对病原菌的免疫响应。因此，apk突变体呈现免疫自激活现象。进一步通过遗传学实验表明，apk的自免疫现象依赖于免疫信号调控中的关键组分EDS1，且APK能够与EDS1在细胞质中直接互作。
为了进一步探究APK的功能，通过酵母杂库筛选到APK的互作蛋白VIK。VIK是一个Raf类MAPKKK激酶，体内外实验证明VIK能够磷酸化APK第20位丝氨酸（Ser20）。遗传学实验表明VIK位于APK上游；vik突变体表现为抗病性提高。因此，VIK负调控苜蓿抗病性。
进一步通过体内外实验表明，接种苜蓿疫霉菌后，VIK通过磷酸化APK Ser20，增强APK磷酸化水平，使APK与EDS1在细胞质中互作增强，从而抑制EDS1从细胞质转运到细胞核，削弱EDS1在细胞核中调控免疫基因表达的功能。当VIK功能缺失时，接种苜蓿疫霉菌后，APK保持非磷酸化状态，非磷酸化形式的APK与EDS1相互作用强度减弱，促使更多的EDS1进入细胞核激活免疫基因表达，最终增强对苜蓿疫霉菌的抗性（图1）。
重要的是，在紫花苜蓿种质资源中，接种苜蓿疫霉菌后，高抗品种VIK基因表达量显著低于易感品种，印证了VIK作为免疫负调节子的关键作用。利用CRISPR-Cas9技术在紫花苜蓿栽培品种遗传背景下创制了MsVIK基因敲除突变体新种质，既不影响植株正常生长发育，又能够显著提升对疫霉根腐病的抗性。
图1 VIK-APK-EDS通路参与苜蓿抗疫霉根腐病的工作模型
综上所述，该研究揭示了VIK-APK-EDS1通路调控苜蓿抗疫霉根腐病的新机制：VIK通过磷酸化自免疫基因APK Ser20，促进APK与免疫调节因子EDS1在细胞质互作，从而限制EDS1引起的免疫响应。另一方面，该研究提供了一种利用易感基因失活策略培育抗病苜蓿的新思路。
中国农业大学生物学院董江丽教授、王涛教授和内蒙古大学生命科学学院牛一丁教授为该论文共同通讯作者，中国农业大学生物学院刘丽博士和孟祥照博士为共同第一作者，中国农业大学生物学院叶沁怡青年研究员和美国俄克拉荷马州立大学文江祁教授对该研究做出了重要贡献。中国科学院遗传发育所周俭民研究员、中国农业大学毕国志教授、南京农业大学王源超教授、杨波副研究员为该研究提供悉心指导和帮助。国家重点研究发展计划、内蒙古大学“牧草与特色作物生物学”教育部重点实验室开放课题、内蒙古大学生命科学学院人才专项、内蒙古自治区科技重点项目为该研究提供了经费资助。
https://doi.org/10.1093/plcell/koaf161
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