Plant Journal | 中国农业科学院作科所徐兆师课题组揭示小麦茎基腐病抗性调控新机制

近日，中国农业科学院作物科学研究所作物基因与分子设计中心徐兆师课题组在The Plant Journal在线发表了题为“TaWRKY24 integrates the tryptophan metabolism pathways to participate in defense against Fusarium crown rot in wheat”的研究论文。该研究报道了小麦中的一个WRKY24-ALDHase/MTase模块在调控小麦抵抗由假禾谷镰孢菌诱发的茎基腐病害中的分子机制，为小麦抗病品种的改良提供了理论基础。

近年来，由假禾谷镰孢菌（Fusarium pseudograminearum）引发的小麦茎基腐病（Fusarium crown rot， FCR）迅速崛起为黄淮海等麦区小麦上一项重要而严峻的疾患，给我国小麦安全生产带来了严重损失。气候变化的影响加剧了这种升级，导致小麦产量大幅下降。色氨酸代谢通路中的褪黑素自1995年在植物中首次发现以来，一直备受国内外植物科研工作者广泛关注。它几乎存在于所有高等植物中，并被确定为必不可少的植物激素。此外，褪黑素也是对非生物和生物胁迫响应的重要调控因子。除褪黑素外，在色氨酸代谢通路中的吲哚衍生物吲哚乙醛（IAAld）是IAA生物合成的前体，由醛脱氢酶（TaALDHase）催化生成IAA。植物细胞壁作为天然保护屏障，对抗病原体入侵起着重要作用。IAA诱导的细胞壁扩增会引发植物细胞壁松动，从而使植物变得脆弱易感。然而，关于这两类化合物在小麦抗茎基腐病中的调控机制以及功能研究报道甚少。

研究人员在小麦茎基腐病RNA-seq数据中发现WRKY家族转录因子基因在茎基腐病胁迫下的表达水平发生了显著变化。其中，小麦WRKY家族成员TaWRKY24在茎基腐病胁迫处理下富集到的数量最多并且能够被显著诱导上调表达。

研究人员通过转录组学与代谢组学关联分析发现，色氨酸代谢途径中吲哚乙醛和褪黑素的合成与小麦响应茎基腐病呈显著相关，且进一步利用病毒介导的基因沉默（VIGS）技术，将TaWRKY24导入小麦中进行功能鉴定。结果显示，TaWRKY24在小麦感染茎基腐病过程中的动态变化与吲哚乙醛和褪黑素的合成以及该合成途径中关键酶的动态变化呈显著相关，它能够激活褪黑素合成途径限速关键酶基因TaMTase的表达并维持其在茎基腐病原菌胁迫条件下的酶活性，从而使基因沉默小麦植株在胁迫条件下拥有高水平的吲哚类化合物，进而提升小麦的抗病能力。此外，TaWRKY24同时能够抑制生长素合成途径中的关键酶基因TaALDHase的表达，使得小麦中的IAA水平降低，IAAld含量升高,从而赋予小麦较强的抗病性。此外，通过高效液相色谱串联质谱联用技术（LC-MS/MS）分析显示，在胁迫条件下，基因沉默的TaWRKY24小麦植株中吲哚类化合物（生长素IAA和褪黑素合成前体N-乙酰血清素NAS）含量显著升高。另外，研究人员发现，体外喷施吲哚乙醛和褪黑素能够显著改善小麦对茎基腐病的抗病性。

综上所述，该研究拓展了对植物WRKY转录因子功能的认知，并强调了色氨酸代谢通路在小麦抗茎基腐病害方面的重要性，提出了有关植物中褪黑素合成通路整合的重要问题，为小麦抗病品种的改良提供了理论基础。

作科所与吉林农大联合培养博士生徐幸、助理研究员于太飞、博士生魏霁桐，山西农科院马小飞研究员、河北农科院刘永伟研究员为论文的共同第一作者，徐兆师研究员，张治安教授和马有志研究员为论文的共同通讯作者。李立会研究员为该研究提供了抗茎基腐病小麦创新资源“普冰资300”，并做了重要指导。该研究得到农业生物育种项目、中国农业科学院科技创新工程、国家种子实验室等项目的资助。

http://doi.org/10.1111/tpj.17079