纹枯病是严重威胁农作物生长的农田病害，水稻、小麦、玉米三大主粮“通吃”。它通常悄悄地从作物基部叶鞘开始侵染，隐蔽性强，严重时可引起整个植株枯死；它的病原立枯丝核菌可在土壤中存活数年，异常顽固。因此，对纹枯病抗性资源的筛选和抗病基因的鉴定与克隆，受到科学界广泛关注，但一直没有取得实质性突破。
10月 1日，《自然—遗传学》杂志在线发表山东农业大学教授储昭辉课题组联合华中农业大学教授严建兵课题组的最新研究成果。他们成功地从玉米中克隆了针对纹枯病的抗病基因，并揭示了该基因产物通过调控细胞壁重要组分木质素合成而增强植物抗病性的新机制，为纹枯病“抗击战”带来了新曙光。
另辟蹊径从水稻转战玉米
十多年前，储昭辉在向纹枯病“宣战”时，和全世界大多数科学家一样，也寄希望于水稻这种模式作物。这一方面是因为水稻纹枯病发病广泛而严重，造成的损失巨大，利用水稻做研究有利于尽快将成果付诸实践；另一方面是因为水稻作为模式作物，其研究成果能较快得到推广，以期帮助其他作物攻克纹枯病。
然而，水稻纹枯病的研究进展并不像科学家预想的那样顺利。
国家杰青、科学探索奖获得者、四川农业大学教授陈学伟，受邀同期在《自然—遗传学》杂志为储昭辉团队的发现撰写了评述文章。据他介绍，作物对纹枯病的抗性属于多基因控制的数量性状（QTL）。在模式作物水稻中，科学家未能克隆出纹枯病数量抗性基因，仅发现少量基因调控纹枯病抗性反应，其介导的抗性机制也不清楚。正如 “巧妇难为无米之炊”，由于好的抗病亲本材料缺乏、表型精确鉴定难等原因，之前在玉米纹枯病基因克隆方面也没有取得实质性进展。
研究数量性状基因，植物表型（可视的性状）数据需要极度精确可靠。水稻丛生、小麦分孽，由于它们的节间较短、叶鞘抱秆较紧，人工接种纹枯病菌后的感染数据，在不同植株间甚至同一植株不同分蘖间的误差较大，容易出差错。这是世界上许多实验室研究纹枯病数量性状基因难以取得突破的重要原因。
经过几年摸索后，储昭辉决定把研究对象从水稻换成玉米试一试。因为近些年纹枯病在玉米上的发病面积也呈快速增长之势，有的年份发病率达到70%以上。他也没有想到，这一试，来了个柳暗花明。
首拿基因且把遗传因子定量化
“做数量性状研究，由于基因的效应小，最难的是如何降低技术误差。因为玉米的每个茎节相对比较长，接种病原操作简单，可以有效保障时间上的一致性。”储昭辉告诉记者，误差最容易产生的环节是从接种点茎节到下一个茎节之间的扩展，而同一个茎节在一定时间内误差相对较小。因此，他们把玉米自交系接种纹枯病菌5天后的病斑长度作为一个遗传因子进行测定，确定了单位时间内单个茎节内的病斑扩展长度，也就是把遗传因子定量化了。
“遗传因子定量化是很好的技术改进，加上玉米群体做关联分析的优势，《自然—遗传学》审稿人对我们这个方法非常欣赏。”储昭辉说。
在严建兵教授支持下，储昭辉课题组利用玉米重组自交系自然群体，调查了318份重测序的玉米自交系接种纹枯病菌5天后的病斑长度，通过全基因组关联分析等方法，对控制病斑扩展的QTL位点进行定位。最终，他们鉴定出28个与纹枯病抗性显著相关的SNP位点，并发现位于第4号染色体的ZmFBL41基因与抗性的关联最为显著。纹枯病抗性鉴定结果表明，转座子Mu插入突变体，降低了ZmF鄄BL41转录水平。相比于对照材料，植株表现出较强的抗性。
这个基因不仅控制着玉米对纹枯病的抗性，而且类似基因在水稻、小麦等作物中也存在。“在丛生的水稻中确定一个数量性状基因很难，用这个玉米中的已知基因研究水稻纹枯病，就顺畅直接了许多。”储昭辉说。在水稻中表达感病型玉米ZmFBL41基因，试验植株比野生型植株更易感纹枯病，证明了该基因在水稻中也能发挥抗病作用。
树立靶标揭示植物抗病新机制
该成果为水稻、玉米以及其他作物抗纹枯病遗传研究与改良提供了靶标。“该发现鉴定的系列自然等位变异的抗性资源，可直接用于改良和培育纹枯病抗性优良玉米新品种，为玉米和水稻等作物的抗病育种提供了重要资源和有效途径。”陈学伟评价道。
中国农业大学植物病理系教授孙文献认为，储昭辉团队不但克隆了抗纹枯病的宝贵基因，还揭示了该基因产物通过泛素化调控细胞壁重要组分—木质素的合成，从而增强植物抗病性的新机制，阐释了植物对死体营养型病害抗性的全新分子机制。“利用寄主抗病性是防控纹枯病最有效的策略，也是未来纹枯病研究的重点与走向。”孙文献说。纹枯病的病原是立枯丝核菌，属于坏死营养型土传性病害，在土壤中存活可长达数年，非常顽固，而且寄主广泛。
植物表皮的木质素是其自身可抗病的因素之一，然而木质素的合成需要酶的广泛参与，肉桂醇脱氢酶（ZmCAD）就是其中的关键酶。
储昭辉团队发现，ZmFBL41蛋白介导了ZmCAD的降解，从而降低了玉米叶鞘木质素的积累，使其更加易感纹枯病。他们研究的重点就是要破解阻止Zm鄄CAD降解的天然遗传变异之谜。
他们发现，ZmFBL41蛋白感病基因编码的LRR结构域与ZmCAD互作，其木质素会被降解；而LRR结构域两个关键氨基酸变异后，则会丧失与ZmCAD互作的能力，木质素就能源源不断填补细胞壁。接种纹枯病菌24到48小时后，玉米抗病自交系中木质素的含量显著高于感病自交系。ZmFBL41基因通过LRR结构域的遗传变异，使ZmCAD逃脱了被分解的命运，维护、促进了木质素的合成，最终提高了植物的抗病性。
两个八年成就科研佳话
论文第一作者是农学院青年教师李宁。从读博士时开始从事纹枯病基因克隆研究，到这个成果出来，李宁坚持了8年半时间，身份从学生熬成了副教授。“纹枯病分布广、危害大、抗原少，迫切需要挖掘作物的纹枯病抗病基因，揭示抗性机理并加以生产应用。我懂得这个工作的有意义，但是8年多一直在做这个病害，一篇相关的文章都没有发出来，确实非常磨人。好在学校和导师一直看重工作的实际进展而不是外在表现，让我坚持了下来。”李宁十分感慨。
出生于1977年的储昭辉一直是同龄人中的佼佼者，他是泰山学者岗位特聘专家、山东省有突出贡献专家，在华中农业大学求学时的博士论文获得过全国百优。“遗传学，尤其是大田作物的遗传学研究，每一项都堪比大工程，必须要花费漫长的等待和摸索。读研究生期间，恩师王石平教授培养了我坚韧的品质。当年，我也是花了约8年首次从水稻中克隆隐性白叶枯病基因xa13。如今，换了一个角色，换了一个地点，再用8年时间克隆全球首个纹枯病抗病基因，算是美丽的师承吧。”储昭辉教授激动地告诉记者。
《自然—遗传学》属于遗传学领域的顶尖杂志，在生化、遗传和分子生物学大类学科的318份杂志中位列第一，在五年综合影响因子达到31。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重点研发计划、山东省现代农业产业技术体系等项目的资助。
