西北农林科技大学杨琴课题组合作发现玉米ZmMAPKKK45基因与多种叶部病害抗性相关

玉米病害是限制玉米产量和稳定生产的主要因素之一。玉米小斑病(southern leaf blight, SLB)、大斑病(northern leaf blight, NLB)和灰斑病(gray leaf spot, GLS)等真菌性叶部病害在全球各玉米产区均有发生，对粮食安全构成威胁。与单基因抗性相比，由多基因控制的数量抗性(quantitative resistance)通常更为持久和稳定，但其遗传基础和分子机制仍有待系统解析。

近日，北卡罗来纳州立大学Peter Balint-Kurti课题组联合西北农林科技大学杨琴教授课题组在New Phytologist发表研究论文The maize mitogen-activated protein kinase kinase kinase geneZmMAPKKK45is associated with multiple disease resistance，通过全基因组关联分析(GWAS)结合遗传与分子实验，揭示了ZmMAPKKK45 与多种叶部病害抗性存在显著关联。

研究团队利用包含 270 个玉米自交系的自然群体，在多个环境条件下系统鉴定了玉米小斑病抗性表型，并基于高密度 SNP 标记开展了全基因组关联分析。结果共鉴定出 14 个与 SLB 抗性显著相关的 SNP 位点，其中多数与此前报道的数量抗性位点(quantitative resistance loci, QRL)高度重叠。值得注意的是，在玉米 3 号染色体上，多个显著关联的 SNP 位于 ZmMAPKKK45上，提示该基因与 SLB 抗性相关。

进一步的功能分析表明，ZmMAPKKK45 的表达水平与玉米小斑病抗性呈正相关关系。在 ZmMAPKKK45 启动子转座子插入突变体中，该基因的表达量显著降低，植株对 SLB 的抗性同步下降；相反，在易感自交系背景 B104 中过表达 ZmMAPKKK45，可显著增强植株对 SLB 的抗性(图1)。此外，将 ZmMAPKKK45 过表达材料与突变体杂交后发现，过表达等位基因的导入能够显著恢复突变体中受损的抗性水平，进一步支持 ZmMAPKKK45 参与调控SLB抗性。

图1: ZmMAPKKK45 突变降低玉米对小斑病的抗性

尽管ZmMAPKKK45编码一类 Raf 亚家族的 MAPKKK 蛋白。但是研究发现ZmMAPKKK45 并未通过经典的 MAPK 级联反应发挥作用。改变ZmMAPKKK45的表达，不会影响MAPK3/6的磷酸化水平，也不会影响下游防御相关基因的表达。相反，该基因与活性氧(reactive oxygen species，ROS)的积累密切相关。在 ZmMAPKKK45 突变体中，病原菌和几丁质诱导的 ROS 生成显著减弱；而在 ZmMAPKKK45 过表达材料中，ROS 积累则明显增强，并伴随着多种 NADPH 氧化酶基因(ZmRBOHs)表达水平的上调。这些结果提示，ZmMAPKKK45 可能通过影响 ZmRBOHs 的表达，进而调节 ROS 的生成，从而参与玉米的抗病反应。同时，该结果暗示了ZmMAPKKK45可能与多种病害抗性相关。

田间实验显示，突变ZmMAPKKK45不仅影响玉米对小斑病的抗性，还显著降低玉米对大斑病和灰斑病的抗性(图2)。这说明 ZmMAPKKK45 影响玉米对多种叶部真菌病害的抗性。

图2: ZmMAPKKK45 调控玉米对大斑病和灰斑病的抗性

综上，该研究从群体遗传学、分子遗传学和生理生化等多个层面，阐明了 ZmMAPKKK45 与玉米多种叶部病害抗性之间的关系，为理解 MAPKKK 家族在作物免疫中的非经典功能提供了新视角，也为抗病分子设计育种提供了重要候选基因资源。

北卡罗来纳州立大学钟涛博士为本研究第一作者，Peter Balint-Kurti博士为通讯作者，西北农林科技大学杨琴教授为共同第一作者及共同通讯作者。USDA-ARS的James Holland博士为研究提供了指导。本研究得到USDA-ARS和NSF的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1111/nph.70828