Plant Cell | 中國農(nóng)大董江麗/王濤團(tuán)隊(duì)聯(lián)合內(nèi)蒙古大學(xué)牛一丁團(tuán)隊(duì)揭示苜蓿抗疫霉根腐病新機(jī)制

紫花苜蓿被譽(yù)為“牧草之王”，全球年種植面積超過3300萬公頃，是奶業(yè)和畜牧業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。疫霉根腐病（Phytophthora root rot）是多年生紫花苜蓿的主要病害之一，對(duì)感病品種造成的產(chǎn)量損失可高達(dá)68%。疫霉菌能在土壤中長期存活，且遺傳變異速度快，常規(guī)殺菌劑不僅防控效果有限，還會(huì)引發(fā)環(huán)境污染和食品安全問題。因此，抗病育種是防治紫花苜蓿疫霉根腐病最經(jīng)濟(jì)有效和可持續(xù)發(fā)展的路徑。

近日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院董江麗/王濤團(tuán)隊(duì)聯(lián)合內(nèi)蒙古大學(xué)牛一丁團(tuán)隊(duì)在The Plant Cell雜志上發(fā)表了題為Regulation of the immunity-related VIK-APK-EDS1 pathway inMedicagofor resistance toPhytophthora的研究論文，揭示了VIK-APK-EDS1通路調(diào)控苜蓿抗疫霉根腐病的工作機(jī)理，為苜蓿抗病育種提供了新基因資源。

研究團(tuán)隊(duì)首先在截形苜蓿Tnt1突變體庫中篩選到植株矮小、葉片卷曲、不結(jié)種子的突變體NF15906，鑒定到其表型由APK基因突變導(dǎo)致。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，在apk突變體中免疫通路異常激活；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，APK基因缺失造成植物葉片自發(fā)性壞死、細(xì)胞內(nèi)ROS大量爆發(fā)、胞內(nèi)Ca2+離子過量積累、免疫相關(guān)基因上調(diào)表達(dá)并增強(qiáng)植物對(duì)病原菌的免疫響應(yīng)。因此，apk突變體呈現(xiàn)免疫自激活現(xiàn)象。進(jìn)一步通過遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，apk的自免疫現(xiàn)象依賴于免疫信號(hào)調(diào)控中的關(guān)鍵組分EDS1，且APK能夠與EDS1在細(xì)胞質(zhì)中直接互作。

為了進(jìn)一步探究APK的功能，通過酵母雜庫篩選到APK的互作蛋白VIK。VIK是一個(gè)Raf類MAPKKK激酶，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證明VIK能夠磷酸化APK第20位絲氨酸（Ser20）。遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)表明VIK位于APK上游；vik突變體表現(xiàn)為抗病性提高。因此，VIK負(fù)調(diào)控苜蓿抗病性。

進(jìn)一步通過體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明，接種苜蓿疫霉菌后，VIK通過磷酸化APK Ser20，增強(qiáng)APK磷酸化水平，使APK與EDS1在細(xì)胞質(zhì)中互作增強(qiáng)，從而抑制EDS1從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核，削弱EDS1在細(xì)胞核中調(diào)控免疫基因表達(dá)的功能。當(dāng)VIK功能缺失時(shí)，接種苜蓿疫霉菌后，APK保持非磷酸化狀態(tài)，非磷酸化形式的APK與EDS1相互作用強(qiáng)度減弱，促使更多的EDS1進(jìn)入細(xì)胞核激活免疫基因表達(dá)，最終增強(qiáng)對(duì)苜蓿疫霉菌的抗性（圖1）。

重要的是，在紫花苜蓿種質(zhì)資源中，接種苜蓿疫霉菌后，高抗品種VIK基因表達(dá)量顯著低于易感品種，印證了VIK作為免疫負(fù)調(diào)節(jié)子的關(guān)鍵作用。利用CRISPR-Cas9技術(shù)在紫花苜蓿栽培品種遺傳背景下創(chuàng)制了MsVIK基因敲除突變體新種質(zhì)，既不影響植株正常生長發(fā)育，又能夠顯著提升對(duì)疫霉根腐病的抗性。

綜上所述，該研究揭示了VIK-APK-EDS1通路調(diào)控苜蓿抗疫霉根腐病的新機(jī)制：VIK通過磷酸化自免疫基因APK Ser20，促進(jìn)APK與免疫調(diào)節(jié)因子EDS1在細(xì)胞質(zhì)互作，從而限制EDS1引起的免疫響應(yīng)。另一方面，該研究提供了一種利用易感基因失活策略培育抗病苜蓿的新思路。

圖1 VIK-APK-EDS通路參與苜蓿抗疫霉根腐病的工作模型

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院董江麗教授、王濤教授和內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院牛一丁教授為該論文共同通訊作者，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院劉麗博士和孟祥照博士為共同第一作者，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院葉沁怡青年研究員和美國俄克拉荷馬州立大學(xué)文江祁教授對(duì)該研究做出了重要貢獻(xiàn)。中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所周儉民研究員、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)畢國志教授、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王源超教授、楊波副研究員為該研究提供悉心指導(dǎo)和幫助。國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃、內(nèi)蒙古大學(xué)“牧草與特色作物生物學(xué)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題、內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院人才專項(xiàng)、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重點(diǎn)項(xiàng)目為該研究提供了經(jīng)費(fèi)資助。

https://doi.org/10.1093/plcell/koaf161