研究背景 小麦是全球范围内消费量最大,种植最广泛的粮食作物之一。然而由于种植品种单一、全球气候变暖等原因，小麦条锈病、叶锈病、白粉病等叶部真菌病害在我国不同麦区均有发生，严重威胁我国小麦生产与粮食安全。SAR是植物的一种广谱防御机制，在初次接触病原体后被激活。尽管SAR在模式植物如拟南芥中已被广泛研究，但在小麦和大麦等禾本科作物中的分子机制仍不明确。如何利用植物SAR过程关键基因提升作物抗病水平，是植物免疫学领域从抗病分子机制研究到关键基因开发利用的重要科学问题。 文献速递 2025年5月6日，河北农大植物保护学院王逍冬教授团队在Journal of Advanced Research（IF=11.4）发表了题为Heterologous expression of the arley-specific HvbZIP87 transcription factor in wheat enhances broad-spectrum disease resistance with balanced yield的研究论文。该研究揭示了大麦转录因子HvbZIP87在小麦中异源表达可增强广谱抗病性并平衡产量的分子机制，本文借助DAP-seq技术系统挖掘了HvbZIP87的转录调控网络，鉴定出其直接结合的顺式作用元件及调控的PR基因、锌离子转运相关基因，为小麦抗病高产的分子育种改良提供了重要理论依据和基因资源。 技术路线 研究结果 本研究通过对大麦转基因系（wNPR1-OE和HvNPR1-Kd）在丁香假单胞菌DC3000触发的SAR反应中的转录组数据分析，发现bZIP转录因子基因Novel07221（HvbZIP87）在系统获得抗性（SAR）过程中被诱导表达，且在HvNPR1沉默株系中表达显著上调。系统发育分析显示，HvbZIP87是大麦特异性基因，在禾本科其他作物中无近缘同源基因，其与小麦、水稻、玉米同源蛋白结构差异显著。HvbZIP87包含一个核定位信号（NLS，71-77氨基酸）和一个保守的bZIP结构域（pfam07716，67-132氨基酸），亚细胞定位实验证实其定位于细胞核。NLS 突变后定位至细胞质，表明NLS对核定位必需且充分。 图1. HvbZIP87是参与SAR反应的大麦特异性转录因子。 为探究HvbZIP87功能，作者构建了过表达HvbZIP87的转基因小麦株系HvbZIP87-OE。qRT-PCR检测显示，HvbZIP87表达量是内源TaActin基因的8-12倍，而野生型中无该基因表达。在诱导SAR反应的相邻区域接种稻瘟病菌后，发现HvbZIP87-OE小麦病斑面积显著变小。进一步qRT-PCR分析发现，HvbZIP87-OE小麦中致病性相关的（PR）基因表达水平高于野生型，表明该基因通过激活防御相关的转录反应增强抗性。 图2. 外源表达HvbZIP87可提高小麦的SAR水平。 通过接种多种病原菌观察抗病表型发现，转基因小麦株系对条锈病、叶锈病、斑点枯萎病和镰刀菌冠腐病均表现出显著抗性，具体表现为孢子形成减少、病斑面积缩小和坏死程度减轻。农艺性状分析表明，HvbZIP87-OE株高、穗长降低，每穗粒数减少，但种子更大更重，最终单穗粒重与野生型相当，实现抗病性与产量的平衡。 图3. HvbZIP87-OE转基因小麦株系的广谱抗病性。 图4. HvbZIP87-OE转基因小麦株系的农艺性状。 研究通过HvbZIP87-mCherry与TaNPR1-GFP融合蛋白的共定位实验发现，两者在细胞核内共定位，表明两者可能存在互作。酵母双杂交实验证实HvbZIP87与TaNPR1直接互作，互作区域为TaNPR1的BTB/POZ域（1-170氨基酸）和NPR1/NIM1样域（355-572氨基酸），且HvbZIP87的bZIP域不参与互作。进一步利用BiFC、LCA和免疫共沉淀实验，验证了两者在植物体内的物理结合，揭示了HvbZIP87与TaNPR1独特的互作机制。 图5. HvbZIP87与TaNPR1在细胞核内的物理相互作用。 为解析HvbZIP87增强抗性的分子机制，对诱导SAR反应的转基因及野生型小麦进行RNA-seq分析。结果显示，HvbZIP87-OE中约2/3的PR基因显著上调，表明其可独立于病原体激活SAR反应。差异基因分析表明，“WT_AR vs WT_CK”与“OE_CK vs WT_CK”共享517个DEGs，GO和KEGG富集显示其参与多糖结合、植物-病原体互作、Ca²⁺信号及ETI通路。植物激素分析发现，HvbZIP87抑制SA、GA的诱导积累，却特异性促进ABA积累，并影响IAA、CTK、JA等通路。 图6. 基于转录组分析的HvbZIP87调控网络。 进一步通过DAP-seq分析，发现HvbZIP87直接结合3982个基因，其启动子区域存在一个保守的“tgacgtcatcatg”样顺式元件，其中包括TaPR1、TaPR2、TaPR4和TaPR5等PR基因，表明HvbZIP87可直接调控这些基因表达。GO和KEGG分析显示，这些基因富显著集于“锌离子跨膜转运”和“C5-支链二元酸代谢”通路。结合RNA-seq数据，发现了103个上调基因和27个下调基因。这些差异表达基因再次显示富集在“锌离子跨膜转运”通路，且部分基因与茉莉酸信号通路相关。研究揭示了HvbZIP87通过直接调控PR基因、锌转运相关基因及多激素通路等多途径，协同增强小麦抗病性的分子网络。 图7. 小麦中HvbZIP87的调控顺式作用元件及其下游靶标。 研究利用Y2H文库筛选了72个与HvbZIP87互作的新候选蛋白，其中核定位的TaMYC2在HvbZIP87-OE株系中表达显著下调。Y2H和LCA实验证实HvbZIP87与TaMYC2直接互作，而TaMYC2与TaNPR1无互作。通过VIGS沉默TaMYC2后，小麦对条锈病的抗性显著增强，表现为孢子形成减少、病斑症状减轻，证实TaMYC2是植物防御的负调控因子。 图8. HvbZIP87与植物防御调节因子TaMYC2的相互作用。 本研究揭示了HvbZIP87调控小麦防御反应的机制为提升小麦对多种病害的遗传抗性提供了新途径。 图9. HvbZIP87调控小麦防御反应的分子机制。