北京市农林科学院赵久然研究员团队在国际知名期刊（IF=6.9）上发表研究论文

近日，北京市农林科学院玉米所在Plant Stress期刊在线发表题为“Multi-Omics Analysis Elucidates Phased Defense and Resource Allocation Trade-Offs in Fusarium Resistance of Maize”的研究论文。该论文从多组学角度，鉴定到1个新的玉米穗腐病抗性热点区域和7个抗性关键基因。并首次提出抗性自交系在病原菌Fg(Fusarium graminearum, Fg)侵染早期，通过短暂抑制储存相关蛋白合成和资源再分配，动态调节完成阶段性抗性防御应答的分子机制。

穗腐病是玉米生产中的一种主要病害，不仅影响产量和品质，病原菌产生的脱氧雪腐镰孢菌烯醇、玉米赤霉烯酮、伏马毒素和黄曲霉等毒素还会危害人畜健康。玉米穗腐病抗性为数量性状，由多个微效基因决定。对5个环境中穗腐病接种鉴定结果的方差分析表明，遗传因素对穗腐病抗性的影响大于环境效应（H2, 0.54-0.89）。基于420份国内外骨干自交系，通过GWAS鉴定到151个显著关联的SNP，其中包括bin 7.04区段中的新位点以及bin 3.04区段中已报道的抗性热点区域。动态转录组分析揭示，抗感系对Fg侵染的遗传机制完全不同，Fg侵染后抗病系中发生了快速且持续的转录激活 (24 hpi时达到峰值) ，而感病系中仅发生了较小的转录变化。玉米与Fg之间的互作体现了资源的动态分配再平衡，即优先分配给应对Fg入侵的防御反应，而非生长和储存相关过程。在抗病系样本中，储存蛋白质的合成暂时受到抑制 (e.g., α-zein)，而氨基酸和代谢能量则被再分配用于防御化合物的生产，包括植物抗毒素和与病原体相关蛋白。相比之下，感病系中严重缺乏类似的资源再分配机制，导致防御反应激活效率低下而无法抑制Fg在玉米籽粒中的侵染和扩散。

图1 玉米穗腐病抗性基因的关联分析以及与前人报道QTL区域比较

整合GWAS-RNA-seq分析优先确定32个候选基因，包括抗性相关的基因ZmTRX（ROS信号转导）和ZmGuLO（AsA生物合成）；分子伴侣sHSP降低能量消耗优化防御效率；转录因子SARD1和VOZ1，在平衡防御反应与生长之间起到关键作用。本研究鉴定的新位点和候选基因，以及提出的阶段性防御模型，为深入解析玉米穗腐病抗性遗传机理和分子机制提供了分子基础和全新视角。

图2 抗病和感病玉米自交系在Fg感染期间防御反应相关基因的时空表达

玉米所苏爱国、肖森林和李志勇为该论文的共同第一作者，赵久然研究员、宋伟研究员和王荣焕研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(32201815)、北京市自然科学基金(6244040)以及北京学者计划(BSP041)的资助。