J. Adv. Res. | DAP-seq助力解析大麥HvbZIP87基因讓小麥抗病又高產的新機制

研究背景

小麥是全球范圍內消費量最大,廣泛種植的糧食作物之一。然而由于種植品種單一、全球氣候變暖等原因，小麥條銹病、葉銹病、白粉病等葉部真菌病害在我國不同麥區均有發生，嚴重威脅我國小麥生產與糧食安全。SAR是植物的一種廣譜防御機制，在初次接觸病原體后被激活。盡管SAR在模式植物如擬南芥中已被廣泛研究，但在小麥和大麥等禾本科作物中的分子機制仍不明確。如何利用植物SAR過程關鍵基因提升作物抗病水平，是植物免疫學領域從抗病分子機制研究到關鍵基因開發利用的重要科學問題。

文獻速遞

2025年5月6日，河北農大植物保護學院王逍冬教授團隊在Journal of Advanced Research（IF=11.4）發表了題為Heterologous expression of the arley-specific HvbZIP87 transcription factor in wheat enhances broad-spectrum disease resistance with balanced yield的研究論文。該研究揭示了大麥轉錄因子HvbZIP87在小麥中異源表達可增強廣譜抗病性并平衡產量的分子機制，本文借助DAP-seq技術系統挖掘了HvbZIP87的轉錄調控網絡，鑒定出其直接結合的順式作用元件及調控的PR基因、鋅離子轉運相關基因，為小麥抗病高產的分子育種改良提供了重要理論依據和基因資源。

技術路線

研究結果

本研究通過對大麥轉基因系（wNPR1-OE和HvNPR1-Kd）在丁香假單胞菌DC3000觸發的SAR反應中的轉錄組數據分析，發現bZIP轉錄因子基因Novel07221（HvbZIP87）在系統獲得抗性（SAR）過程中被誘導表達，且在HvNPR1沉默株系中表達顯著上調。系統發育分析顯示，HvbZIP87是大麥特異性基因，在禾本科其他作物中無近緣同源基因，其與小麥、水稻、玉米同源蛋白結構差異顯著。HvbZIP87包含一個核定位信號（NLS，71-77氨基酸）和一個保守的bZIP結構域（pfam07716，67-132氨基酸），亞細胞定位實驗證實其定位于細胞核。NLS 突變后定位至細胞質，表明NLS對核定位必需且充分。

圖1. HvbZIP87是參與SAR反應的大麥特異性轉錄因子。

為探究HvbZIP87功能，作者構建了過表達HvbZIP87的轉基因小麥株系HvbZIP87-OE。qRT-PCR檢測顯示，HvbZIP87表達量是內源TaActin基因的8-12倍，而野生型中無該基因表達。在誘導SAR反應的相鄰區域接種稻瘟病菌后，發現HvbZIP87-OE小麥病斑面積顯著變小。進一步qRT-PCR分析發現，HvbZIP87-OE小麥中致病性相關的（PR）基因表達水平高于野生型，表明該基因通過激活防御相關的轉錄反應增強抗性。

圖2. 外源表達HvbZIP87可提高小麥的SAR水平。

通過接種多種病原菌觀察抗病表型發現，轉基因小麥株系對條銹病、葉銹病、斑點枯萎病和鐮刀菌冠腐病均表現出顯著抗性，具體表現為孢子形成減少、病斑面積縮小和壞死程度減輕。農藝性狀分析表明，HvbZIP87-OE株高、穗長降低，每穗粒數減少，但種子更大更重，最終單穗粒重與野生型相當，實現抗病性與產量的平衡。

圖3. HvbZIP87-OE轉基因小麥株系的廣譜抗病性。

圖4. HvbZIP87-OE轉基因小麥株系的農藝性狀。

研究通過HvbZIP87-mCherry與TaNPR1-GFP融合蛋白的共定位實驗發現，兩者在細胞核內共定位，表明兩者可能存在互作。酵母雙雜交實驗證實HvbZIP87與TaNPR1直接互作，互作區域為TaNPR1的BTB/POZ域（1-170氨基酸）和NPR1/NIM1樣域（355-572氨基酸），且HvbZIP87的bZIP域不參與互作。進一步利用BiFC、LCA和免疫共沉淀實驗，驗證了兩者在植物體內的物理結合，揭示了HvbZIP87與TaNPR1的互作機制。

圖5. HvbZIP87與TaNPR1在細胞核內的物理相互作用。

為解析HvbZIP87增強抗性的分子機制，對誘導SAR反應的轉基因及野生型小麥進行RNA-seq分析。結果顯示，HvbZIP87-OE中約2/3的PR基因顯著上調，表明其可獨立于病原體激活SAR反應。差異基因分析表明，“WT_AR vs WT_CK”與“OE_CK vs WT_CK”共享517個DEGs，GO和KEGG富集顯示其參與多糖結合、植物-病原體互作、Ca2?信號及ETI通路。植物激素分析發現，HvbZIP87抑制SA、GA的誘導積累，卻特異性促進ABA積累，并影響IAA、CTK、JA等通路。

圖6. 基于轉錄組分析的HvbZIP87調控網絡。

進一步通過DAP-seq分析，發現HvbZIP87直接結合3982個基因，其啟動子區域存在一個保守的“tgacgtcatcatg”樣順式元件，其中包括TaPR1、TaPR2、TaPR4和TaPR5等PR基因，表明HvbZIP87可直接調控這些基因表達。GO和KEGG分析顯示，這些基因富顯著集于“鋅離子跨膜轉運”和“C5-支鏈二元酸代謝”通路。結合RNA-seq數據，發現了103個上調基因和27個下調基因。這些差異表達基因再次顯示富集在“鋅離子跨膜轉運”通路，且部分基因與茉莉酸信號通路相關。研究揭示了HvbZIP87通過直接調控PR基因、鋅轉運相關基因及多激素通路等多途徑，協同增強小麥抗病性的分子網絡。

圖7. 小麥中HvbZIP87的調控順式作用元件及其下游靶標。

研究利用Y2H文庫篩選了72個與HvbZIP87互作的新候選蛋白，其中核定位的TaMYC2在HvbZIP87-OE株系中表達顯著下調。Y2H和LCA實驗證實HvbZIP87與TaMYC2直接互作，而TaMYC2與TaNPR1無互作。通過VIGS沉默TaMYC2后，小麥對條銹病的抗性顯著增強，表現為孢子形成減少、病斑癥狀減輕，證實TaMYC2是植物防御的負調控因子。

圖8. HvbZIP87與植物防御調節因子TaMYC2的相互作用。

本研究揭示了HvbZIP87調控小麥防御反應的機制，為提升小麥對多種病害的遺傳抗性提供了新途徑。

圖9. HvbZIP87調控小麥防御反應的分子機制。