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    Plant Physiology|华中农业大学在利用多基因编辑揭示CsMLO基因家族在黄瓜白粉病抗性中的功能取得新进展


    研究背景

    黄瓜白粉病是一种常见的瓜类作物病害,黄瓜白粉病的发生与温度和湿度密切相关,湿度的增加会加速病情的流行和发病的严重程度,尤其是在雨后转晴或者高温高湿条件交替出现时,病害会大规模流行。在病情严重的情况下,整个叶片会布满一层白粉,导致叶片枯黄、变脆、卷缩,失去光合作用功能。利用CRISPR/Cas多基因编辑技术同时敲除多个隐性抗病基因创制黄瓜白粉病抗性种质,是黄瓜白粉病防治的新策略,具有重要的经济意义。

    近日,华中农业大学别之龙教授/杨丽副教授团队在Plant Physiology在线发表了题为“Systemicanalysis of cucumber MLO family by multiplex gene editing for engineeringpowdery mildew resistance”的研究论文。在瓜类作物中首次建立高效的多基因编辑体系,利用该体系靶向敲除黄瓜CsMLO基因家族13个成员,成功获得白粉病完全抗性黄瓜种质材料,并通过多组学联合分析解析了钙信号参与Csmlo1/8/11介导的黄瓜白粉病抗性分子机制。

     

    研究内容

    研究首次在黄瓜中建立了一个高效的多基因编辑体系,靶向敲除了13个CsMLO基因家族成员。通过这种方法,成功获得了具有完全抗白粉病性的黄瓜突变体。进一步,对这些突变体的白粉病抗性和生长表型进行了系统调查。研究发现敲除CsMLO家族第V分支三个基因CsMLO1/8/11,所得单突变体Csmlo8仍然易感白粉病,所得双突变体表现为中等白粉病抗性,尤其值得关注的是同时编辑这三个基因的黄瓜三突变体材料Csmlo1/8/11获得了白粉病完全抗性。然而,并未观察到五突变体Csmlo3/4/5/9/10白粉病抗性的改变。

    研究发现相较于对照为五瓣花和三心室果实,Csmlo3/10突变体中黄瓜六瓣花、七瓣花的数目显著增多,其四心室果实的比例也大幅提高。而Csmlo12/13突变则导致雄性不育且叶面积增大的表型。

     

    研究通过高通量转录组与蛋白组关联分析,发现Csmlo1/8/11介导的白粉病抗性中受到钙信号的调控。在Csmlo1/8/11三突变体中,钙信号下游的三个基因CsKIC、CsCML28和CsCPK11的蛋白表达量显著升高,表明这些基因可能在黄瓜抗白粉病的调控中发挥正向作用

    进一步研究发现,CsKIC与第V分支成员CsMLO1/8/11均存在蛋白互作。通过VIGS瞬时沉默CsKIC,能增强黄瓜白粉病抗病性,这表明与CsMLO8的功能一致,CsKIC是白粉病抗性的负调控因子,猜测CsKIC与CsMLO1/8/11互作协同参与白粉病菌入侵过程。另外,通过VIGS瞬时沉默CsCML28和CsCPK11,观察到黄瓜白粉病感病性增加;且二者分别与CsMLO1/8共沉默时,部分恢复了由于CsMLO1/8敲低而导致的白粉病抗性。这表明CsCML28和CsCPK11可能在CsMLO1/8的下游发挥正向调控作用,参与介导黄瓜白粉病抗性。

    与对照相比,CsCPK11过表达植株白粉病抗性显著增强。这些发现为深入理解Csmlo介导的黄瓜白粉病抗性机制提供了关键线索。

    小结

    该研究为瓜类作物生物育种提供了高效的多基因编辑工具,为黄瓜白粉病抗性育种提供了宝贵的基因和种质资源。该研究深入解析钙信号参与Csmlo1/8/11介导的白粉病抗性分子机制,也为丰富白粉病抗病调控模型提供了新的理论依据。

     

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