DOI: https://doi.org/10.1038/s41588-023-01644-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38238629
تاريخ النشر: 2024-01-18
المؤلف: Tao Zhong وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات إدارة وتوصيف الديدان الخيطية
نظرة عامة
تحدد الأبحاث الجين ZmWAKL، الذي يشفر بروتينًا شبيهًا بمستقبل كيناز مرتبط بجدار الخلية، كلاعب رئيسي في مقاومة الذرة (Zea mays L.) للبقعة الرمادية على الأوراق (GLS) التي تسببها مسببات الأمراض Cercospora zeae-maydis و Cercospora zeina. يُظهر الأليل المقاوم، ZmWAKL Y، أنه يتفاعل ذاتيًا ويتفاعل مع كيناز مرتبط بالمناعة ZmWIK على الغشاء البلازمي. تشكل هذه التفاعلات مركب مستقبل يقوم بفوسفاتيل كيناز سيتوبلازمي شبيه بالمستقبل ZmBLK1، مما ينشط بعد ذلك أكسيد NADPH ZmRBOH4، مما يؤدي إلى انفجار في أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) عند هجوم الممرض.
توضح الدراسة دور وحدة الإشارة ZmWAKL-ZmWIK-ZmBLK1 في إدراك الممرض وتنشيط الاستجابة المناعية، مما يبرز أهميتها في تعزيز مقاومة GLS. تمثل هذه الآلية استراتيجيات أوسع تستخدمها النباتات من خلال مستقبلات التعرف على الأنماط (PRRs) لبدء المناعة المستحثة بالنمط (PTI)، وهو أمر حاسم للدفاع ضد مختلف مسببات الأمراض. تسهم النتائج في فهم مسارات الإشارة المناعية في النباتات والوظائف المحددة لـ WAKs و WAKLs في مقاومة الأمراض الفطرية.
طرق
في هذه الدراسة، كان هدف المؤلفين هو تحديد موقع صفة الكمية (QTL) qRgls1 بدقة، والتي تم التعرف عليها سابقًا ضمن منطقة ~1.4 ميغابايت محاطة بعلامات GZ204 و IDP5. لتحقيق ذلك، قاموا بتطوير عدة تجمعات من الخلفيات، بما في ذلك BC2F5 (1,865 نباتًا)، BC5F7 (1,055 نباتًا)، و BC7F7 (1,162 نباتًا)، من خلال التلقيح الذاتي والتزاوج العكسي مع خط Q11. تم التزاوج العكسي لمركبات BC7F7 مرة أخرى مع Q11 لتوليد أجيال BC8F7، والتي تم تلقيحها ذاتيًا لإنتاج خطوط BC8F8 متماثلة الزيجوت مع وبدون مقاطع Y32. سمح هذا النهج بتأكيد منطقة qRgls1 من خلال مقارنة مقاومة GLS في مناطق مانحة Y32.
كما أنشأ الباحثون خطوطًا قريبة من الإيزوجينية (NILs)، تحديدًا NIL-Y32 (التي تحمل qRgls1) و NIL-Q11 (التي تفتقر إلى qRgls1)، والتي أظهرت هوية جينية بنسبة 96.12% كما حددها شريحة تحديد الجينات Axiom_M6H60k. تم استخدام هذه NILs للتحقيق في الآليات الجزيئية للمناعة الفطرية التي يتوسطها ZmWAKL. بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل مجموعة من 98 خطًا من الذرة الملقحة ذاتيًا للمتغيرات الأليلية في موقع ZmWAKL. شملت الدراسة خط الطفرة EMS Zmwik، المشتق من خلفية B73، والذي تم التزاوج العكسي مرتين مع NIL-Y32 وتم تلقيحه ذاتيًا لتقييم مقاومة GLS في كل من الأنماط البرية والأشكال المتماثلة الطافرة.
مناقشة
تحدد الأبحاث الجين ZmWAKL كعامل رئيسي يمنح مقاومة لمرض البقعة الرمادية على الأوراق (GLS) في الذرة. من خلال سلسلة من اختبارات التكامل والتجارب المعدلة وراثيًا، أظهر أليل ZmWAKL Y أنه يعزز بشكل كبير مقاومة GLS في خط B73 القابل للإصابة بـ GLS دون تغيير بنية النبات أو وقت الإزهار. ضيقت جهود تحديد الموقع الدقيق منطقة qRgls1 إلى فترة 122 كيلوبايت، مما يكشف أن الأليل Y32 يقلل من شدة المرض بنسبة 14.7-21.6% مقارنة بالأليل Q11. كما تسلط الدراسة الضوء على أهمية مستويات تعبير ZmWAKL وتفاعله مع بروتينات أخرى، مثل ZmWIK، في الوساطة للاستجابات المناعية ضد GLS.
كشفت الخصائص الجزيئية أن ZmWAKL Y يظهر تفاعلًا ذاتيًا ونشاط كيناز، وهما أمران حاسمان لوظيفته في مقاومة الأمراض. تشير التفاعلات بين ZmWAKL Y و ZmWIK إلى آلية تعاونية في مسارات الإشارة التي تنشط استجابات الدفاع. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد ZmBLK1 كعامل مساعد محتمل يتفاعل مع كلا الشكلين ZmWAKL، مما يدعم فكرة وجود شبكة معقدة من الإشارات المناعية على الغشاء البلازمي. مجتمعة، توضح هذه النتائج الأساس الجيني والجزيئي لمقاومة GLS في الذرة، مما يوفر رؤى لاستراتيجيات التربية المستقبلية التي تهدف إلى تعزيز مقاومة الأمراض في المحاصيل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41588-023-01644-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38238629
Publication Date: 2024-01-18
Author(s): Tao Zhong et al.
Primary Topic: Nematode management and characterization studies
Overview
The research identifies the gene ZmWAKL, which encodes a cell-wall-associated receptor kinase-like protein, as a key player in maize’s (Zea mays L.) resistance to gray leaf spot (GLS) caused by the pathogens Cercospora zeae-maydis and Cercospora zeina. The resistance allele, ZmWAKL Y, is shown to self-associate and interact with the immune-related kinase ZmWIK on the plasma membrane. This interaction forms a receptor complex that phosphorylates the receptor-like cytoplasmic kinase ZmBLK1, which subsequently activates the NADPH oxidase ZmRBOH4, leading to a reactive oxygen species (ROS) burst upon pathogen attack.
The study elucidates the ZmWAKL-ZmWIK-ZmBLK1-ZmRBOH4 signaling module’s role in pathogen perception and immune response activation, highlighting its importance in enhancing GLS resistance. This mechanism exemplifies the broader strategies plants employ through pattern-recognition receptors (PRRs) to initiate pattern-triggered immunity (PTI), which is crucial for defending against various pathogens. The findings contribute to the understanding of plant immune signaling pathways and the specific functions of WAKs and WAKLs in fungal disease resistance.
Methods
In this study, the authors aimed to fine-map the quantitative trait locus (QTL) qRgls1, previously identified within a ~1.4-Mb region flanked by markers GZ204 and IDP5. To achieve this, they developed several backcross populations, including BC2F5 (1,865 plants), BC5F7 (1,055 plants), and BC7F7 (1,162 plants), through self-pollination and backcrossing to the Q11 line. The BC7F7 recombinants were further backcrossed to Q11 to generate BC8F7 generations, which were self-pollinated to produce BC8F8 homozygous lines with and without Y32 segments. This approach allowed for the confirmation of the qRgls1 region by comparing GLS resistance in the Y32 donor regions.
The researchers also created near-isogenic lines (NILs), specifically NIL-Y32 (carrying qRgls1) and NIL-Q11 (lacking qRgls1), which exhibited a 96.12% genetic identity as determined by the Axiom_M6H60k genotyping chip. These NILs were utilized to investigate the molecular mechanisms of ZmWAKL-mediated innate immunity. Additionally, a collection of 98 maize inbred lines was analyzed for allelic variations at the ZmWAKL locus. The study included the EMS mutant line Zmwik, derived from the B73 background, which was backcrossed twice to NIL-Y32 and self-pollinated to assess GLS resistance in both the wild-type and homozygous mutant forms.
Discussion
The research identifies the ZmWAKL gene as a key factor conferring resistance to gray leaf spot (GLS) disease in maize. Through a series of complementation tests and transgenic experiments, the ZmWAKL Y allele was shown to significantly enhance GLS resistance in the GLS-susceptible B73 line without altering plant architecture or flowering time. Fine-mapping efforts narrowed the qRgls1 locus to a 122-kb interval, revealing that the Y32 allele reduces disease severity by 14.7-21.6% compared to the Q11 allele. The study also highlights the importance of ZmWAKL’s expression levels and its interaction with other proteins, such as ZmWIK, in mediating immune responses against GLS.
Molecular characterization revealed that ZmWAKL Y exhibits self-association and kinase activity, which are critical for its function in disease resistance. The interaction between ZmWAKL Y and ZmWIK suggests a cooperative mechanism in signaling pathways that activate defense responses. Additionally, ZmBLK1 was identified as a potential coreceptor that interacts with both ZmWAKL isoforms, further supporting the notion of a complex immune signaling network at the plasma membrane. Collectively, these findings elucidate the genetic and molecular basis of GLS resistance in maize, providing insights for future breeding strategies aimed at enhancing disease resistance in crops.