Zma-miRNA319-ZmMYB74模块通过调节木质素沉积来调控玉米对茎腐病的抗性

《Plant Biotechnology Journal》：The Zma-miRNA319-ZmMYB74 Module Regulates Maize Resistance to Stalk Rot Disease by Modulating Lignin Deposition

玉米茎腐病由Fusarium graminearum和Pythium inflatum引起，本研究通过整合sRNA、degradome和转录组测序，鉴定了363个miRNA（含113新miRNA），其中305个为差异表达miRNA（DEMs）。加权基因共表达网络分析（WGCNA）揭示ZmMYB74等6个核心调控基因形成的6个关键模块。ZmMYB74作为转录因子，通过结合CAD基因启动子AC元素抑制其表达，导致lignin合成减少，抗病性下降。RNA干扰（RNAi）和过表达实验证实ZmMYB74沉默或过表达分别增强或削弱抗病性。启动子区In/Del变异影响ZmMYB74转录效率，Hap1（ resistant）和Hap2（ susceptible）表型与该变异显著相关。本研究首次解析了ZmMYB74介导的miRNA调控网络及lignin合成通路，为抗病育种提供新靶点。

　　玉米茎腐病是由镰刀菌（*Fusarium graminearum*）和疫霉菌（*Pythium inflatum*）等病原体引起的一种严重影响产量的疾病。为了深入理解玉米对这些病原体的防御机制，研究人员整合了小RNA（sRNA）、降解组（degradome）和转录组（transcriptome）测序数据，探索了玉米对茎腐病的反应。通过这些多组学分析，研究人员鉴定了363种miRNA，其中包括113种新的miRNA，从中发现了305种显著响应病原体感染的差异表达miRNA（DEMs）。降解组分析还检测到了120种DEMs。利用转录组测序和加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究人员从8308个受两种病原体影响的差异表达基因中识别出6个重要的调控模块，这些模块以枢纽基因为中心，揭示了复杂的调控网络。通过机器学习方法进一步分析了这些模块中的关键基因调控关系，其中*ZmMYB74*被确定为关键的枢纽基因调控因子，它受*zma–miR319*的调控。转基因玉米中过表达*ZmMYB74*会削弱其对茎腐病的抗性，导致木质素沉积减少；而敲除或抑制*ZmMYB74*则显著增强抗性。在*ZmMYB74*的启动子区域发现的两个插入/缺失（In/Del）变异与玉米茎腐病抗性变化相关。*ZmMYB74*作为一种转录抑制因子，负向调控*ZmCAD*基因的表达，而*ZmCAD*是参与植物抗病性及木质素生物合成的关键基因。这些发现不仅有助于开发具有持久抗病性的玉米品种，还加深了对茎腐病抗性分子机制的理解。

茎腐病是全球范围内玉米种植面临的主要挑战之一，其病原体感染会导致玉米植株倒伏，进一步降低产量并影响籽粒质量。此外，该病害会阻碍玉米机械化收割的效率，造成严重的经济损失。这种病害通常导致10%的产量损失，而在高发区域甚至可达30%至50%。因此，研究玉米对茎腐病的抗性机制对于提升玉米的抗病性至关重要。miRNA在调控植物抗病性方面具有重要作用，尤其是在植物对生物胁迫的响应中。通过整合sRNA、降解组和转录组数据，研究团队不仅鉴定了关键miRNA及其调控基因，还揭示了它们在植物抗病网络中的功能。

在玉米的抗病性调控中，转录因子（TFs）扮演着核心角色。特别是MYB类转录因子，它们广泛参与植物的生长发育、代谢调控以及对生物和非生物胁迫的响应。例如，在水稻中，*OsMYB30*、*OsMYB55*和*OsMYB110*能够调控木质素生物合成相关基因的表达，从而增强植物对病原体的抵抗力。类似地，在棉花中，*GhMYB36*通过激活抗病相关基因*PR1*，提高了对*Verticillium dahliae*的抗性。然而，关于玉米中MYB转录因子在生物胁迫中的功能研究相对较少。在本研究中，*ZmMYB74*被发现是玉米对茎腐病的关键调控因子，其表达水平与抗病性密切相关。

研究团队通过实验验证了*zma-miR319*对玉米抗茎腐病的重要性。使用病毒介导的miRNA沉默（VbMS）技术，研究人员构建了*zma-miR319*的短串联靶向模拟（STTM）载体，并将其导入玉米植株中。结果显示，沉默*zma-miR319*能够显著提高玉米对茎腐病的抗性，而过表达*zma-miR319*则降低了抗性。这表明*zma-miR319*在玉米抗病过程中起着正向调控作用，通过抑制*ZmMYB74*的表达，进而调控*ZmCAD*基因的表达，影响木质素的合成。木质素是植物细胞壁的重要组成部分，能够增强细胞壁的机械强度，从而形成物理屏障，限制病原体的侵入和扩散。在本研究中，研究人员发现*ZmMYB74*的敲除或抑制会促进木质素沉积，从而增强玉米对茎腐病的抗性，而过表达*ZmMYB74*则会导致木质素沉积减少，增加病原体侵染的可能性。

在*ZmMYB74*的启动子区域发现了两个与抗性相关的In/Del变异，这些变异可能影响其表达水平。通过双荧光素酶报告系统进一步验证了这些启动子变异对*ZmMYB74*表达的影响。结果显示，与*ZmMYB74*的Hap1启动子相比，Hap2启动子的转录效率较低，这可能与抗性差异有关。此外，研究团队还通过染色质免疫沉淀（ChIP）和酵母单杂交（Y1H）实验验证了*ZmMYB74*对*ZmCAD*的调控作用。实验表明，*ZmMYB74*能够直接结合*ZmCAD*的启动子区域，从而抑制其表达，进而调控木质素的合成。这些结果揭示了*ZmMYB74*在玉米抗茎腐病中的关键作用，为玉米抗病性育种提供了重要的基因靶点。

本研究的成果不仅揭示了玉米对茎腐病的抗性机制，还为抗病性品种的开发提供了理论基础和实践指导。通过基因编辑或标记辅助选择，研究人员可以利用*ZmMYB74*这一基因来培育更具抗病性的玉米品种。此外，这些发现有助于理解miRNA在植物抗病性调控中的作用，为未来相关研究提供了新的视角。研究还表明，miRNA与靶基因之间的调控网络复杂且高度协调，这种网络可能涉及多个基因和信号通路，共同参与植物对病原体的防御反应。

在实际应用中，通过调控*ZmMYB74*的表达水平，可以有效提升玉米对茎腐病的抗性。例如，通过沉默*ZmMYB74*，可以增强其对病原体的抵抗力，同时促进木质素的沉积，形成更有效的物理屏障。而过表达*ZmMYB74*则可能导致抗性降低，使玉米更容易受到病原体侵染。这些发现为农业实践提供了新的工具，可以通过基因工程技术调整关键基因的表达，从而增强玉米的抗病能力。此外，研究团队还发现，*ZmMYB74*的启动子区域存在不同的多态性，这些多态性可能影响其表达水平，进而影响玉米的抗性表现。通过进一步研究这些多态性，可以更精准地筛选和培育具有高抗性的玉米品种。

综上所述，这项研究通过多组学方法揭示了玉米对茎腐病的抗性机制，特别是*zma-miR319*和*ZmMYB74*在这一过程中的关键作用。这些发现不仅为玉米抗病性育种提供了重要的基因靶点，还加深了对miRNA调控网络和植物抗病机制的理解。未来的研究可以进一步探索这些基因在不同环境条件下的作用，以及它们与其他抗病相关基因之间的相互作用，从而为提升玉米抗病性提供更全面的理论支持和实践策略。