Front Plant Sci |新型ERF转录因子ZmERF105调节玉米对大斑病菌的抗性

Front Plant Sci |新型ERF转录因子ZmERF105调节玉米对大斑病菌的抗性


2020年6月16日,吉林农业大学农学院的研究人员于Front. Plant Sci上发表了题为“A Novel ERF Transcription Factor, ZmERF105, Positively Regulates Maize Resistance to Exserohilum turcicum”的研究文献,该文献揭示了一种新型的ERF转录因子ZmERF105对玉米的大斑病菌抗性的积极调节作用。

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背景:乙烯反应因子(ERF)在植物固有免疫中起关键作用,在这项研究中分离并鉴定了一种新的ERF基因,命名为ZmERF105。酵母单杂和转录活性测定表明ZmERF105是转录激活因子, ZmERF105的过表达增加了玉米对大斑病菌的抗性。同时,增强了包括ZmPR1a在内的几种致病相关(PR)基因的表达,揭示了ZmERF105作为ERF网络的新型参与者,对玉米大斑病菌的抗性反应的积极作用。
结果:使用RT-PCR从玉米自交系B73的叶子中分离出ZmERF105的全长cDNA序列,并用PhytozomeSWISS-MODEL数据库进行分析。

蛋白序列對比

图1.ZmERF105蛋白序列与其他ERF转录因子基序对比

蛋白系統樹和三維結構

图2.ZmERF105蛋白的系统树和预测的三维结构.(A)系统进化树使用MEGA 5.0软件生成.(B) ZmERF105蛋白的三维结构预测.

为了更好地了解ZmERF105的功能,使用qRT-PCR研究了ZmERF105的表达水平。结果表明,ZmERF105在茎中表达最高,其次是叶和根。这些结果表明ZmERF105可能参与对病原体和多种刺激的反应。

ZmERF105在玉米中的表達譜

图3. ZmERF105在玉米中的表达谱.(A)ZmERF105在不同器官中的表达分析.(B)两种不同品种植物感染玉米大斑病菌ZmERF105的相对表达水平.

为了确定ZmERF105蛋白的亚细胞位置,获取在35S启动子控制下的ZmERF105-GFP融合蛋白并将其引入本氏烟草的表皮细胞。与其作为TF的功能一致,ZmERF105-GFP融合蛋白仅定位于细胞核,并且在全细胞中观察到了对照的荧光信号。

亞細胞定位結果

图4. ZmERF105-GFP融合蛋白在本氏烟草表皮细胞中的亚细胞定位.

为了进一步研究ZmERF105是否特异性结合GCC-box元件,进行了酵母单杂测定。结果表明ZmERF105可以特异性结合GCC-box元件。用瞬时转录活性测定确定ZmERF105是否起转录激活剂的作用。结果表明,ZmERF105充当转录激活因子并与GCC-box元件结合。
酵母單雜轉錄活性分析
图5. ZmERF105的转录活性分析(A)ZmERF105与酵母杂交实验中GCC-box元件的结合活性(B)拟南芥原生质体中ZmERF105的转录活性分析

为了研究ZmERF105是否能提高转基因玉米植物中的对大斑病菌的抗性,用三个独立的ZmERF105过表达转基因株系(OE3,OE4和OE7)的T2转基因植物来研究对大斑病菌反应。通过qRT-PCR进一步检测,结果表明,ZmERF105可以积极调节玉米对大斑病菌的抗性。

图6 .ERF105过表达和erf105突变株系对大斑病菌的反应(A) 5dpi T 2转基因品系叶片上的病害症状(B)ZmERF105T 2转基因品系中的相对表达分析(C) 5 dpi时转基因品系的相对病变面积(D)erf105突变株叶片在5 dpi时的疾病症状(E)ZmERF105erf105突变株中的相对表达分析(F)erf105突变株在5 dpi时的相对病变面积.

SODPODROS清除反应过程中重要的抗氧化酶,为了进一步确认ZmERF105在抗斑病菌中的作用是否与SODPOD活性有关,我们检查了ZmERF105过表达和erf105突变株系中SODPOD的活性。结果表明,ZmERF105增加玉米抗氧化剂酶的活性。

抗氧化酶活性

图7.接种后24小时进行模拟处理并分析被大斑病菌感染后的抗氧化酶活性(A,B)分别在ZmERF105过表达和erf105突变株中的SOD活性(C,D)分别在ZmERF105过表达和erf105突变株中的POD活性.

为了进一步分析ZmERF105在玉米抗大斑病菌中的作用,研究PR基因的表达结果表明,ZmERF105可通过直接或间接地调节这些PR基因增强玉米对大斑病菌的抗性。

相關基因表達水平

图8.ZmERF105过表达和erf105突变株系中,经过模拟感染处理并在24 hpi的相关基因的表达水平(A,B)ZmPR10.1的表达(C,D)ZmPR10.2的表达(E,F)ZmPR2的表达(G,F)ZmPR1a的表达(H,I)ZmPR5的表达.


结论ZmERF105是一个新的ERF基因,在植物防御系统中起着重要作用。ZmERF105蛋白仅定位于细胞核。ZmERF105充当与GCC-box元件结合的转录激活因子。ZmERF105 通过调节抗性相关基因的表达和抗氧化酶的活性,积极调节植物对大斑病菌的抗性。总体而言,研究提供了新的信息来剖析ZmERF105在植物免疫途径中的机制。


论文链接:

https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00850

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