玉米是中国的第一大作物,不仅种植面积最大,总产量也是最高,在我国粮食产量与安全中占有非常重要的地位。然而玉米主产区生长季节雨热同期,高温高湿的环境容易诱发多种病害的频繁交互发生,对玉米产量和品质造成严重影响,因此揭示玉米抗病机理,对玉米品种的抗病性改良具有重要意义。植物类病变是指植物在不被病原菌侵染和逆境胁迫的情况下自发形成类似于超敏反应的坏死斑,通常伴随活性氧的积累及其它抗病相关反应,且许多类病变突变体会增强对某种或多种病原菌的抗性,是一类研究植物防御反应机制的理想材料。本研究在田间发现了一个自然突变的玉米类病变突变体tlb,该突变体表现为抗性增强。以玉米野生型植株为对照,对突变体tlb不同坏死程度叶片组织进行生理生化特性研究,初步解析玉米类病变产生的生理基础;对野生型和突变体tlb不同坏死程度叶片进行转录组学分析,筛选出与类病变表型和抗病性相关的重点基因或代谢途径。本研究阐述了该突变体可能的类病变形成机制和抗病机制,为突变基因的克隆和功能分析奠定了基础,也为玉米抗病育种研究提供理论依据。主要研究结果如下:1、类病变突变体tlb的表型鉴定与遗传分析:突变体tlb苗期植株正常生长,在7叶期开始出现黄褐色坏死小斑点并不断向四周蔓延,直到成熟期类病斑CH-223191说明书连接成片并覆盖整个叶片,造成叶片衰老死亡。此外,与野生型相比,突变体tlb的株高、穗位、穗长、穗宽、单穗粒数、千粒重等农艺性状均极显著下降。遗传分析表明该突变性状由一对隐性核基因控制。2、类病变突变体tlb的生理分析:遮光实验结果表明突变体类病斑的形成受光照诱导。光合色素含量测定结果显示,与野生型相比,突变体tlb无病斑叶的光合色素含量无显著变化;少量病斑叶的叶绿素b、总叶绿素含量显著下降,类胡萝卜素含量显著上升;大量病斑叶的叶绿素b、总叶绿素含量极显著下降,类胡萝卜素含量显著上升。光合参数测定结果显示,与野生型相比,突变体tlb无病斑叶的各种光合参数无显著差异;少量病斑叶和大量病斑叶的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率Trichostatin A极显著下降。叶绿体超微结构观察结果显示,突变体的叶绿体结构损伤并降解,且叶绿体的完整性与类病斑数量密切相关。组织化学染色结果显synaptic pathology示,在突变体类病斑形成部位发生程序性细胞死亡并积累大量活性氧(H_2O_2和O_2~-),且突变体叶片沉积了大量胼胝质。生理指标测定结果显示,与野生型相比,突变体tlb无病斑叶的H_2O_2、MDA含量无显著差异;少量病斑叶的H_2O_2、MDA含量有所上升;大量病斑叶的H_2O_2、MDA含量显著上升;此外相较于野生型,突变体tlb无病斑叶的SOD、POD、CAT活性无显著差异;少量病斑叶和大量病斑叶的SOD、CAT活性显著下降,POD活性显著上升,表明突变体tlb中活性氧代谢的平衡失调可能是诱发细胞死亡的原因。3、类病变突变体tlb的转录组学分析:突变体无病斑叶中有2008个DEGs,1271个上调,737个下调;少量病斑叶中有4630个DEGs,2658个上调,1972个下调;大量病斑叶中有4919个DEGs,2702个上调,2217个下调;三个比较组共有1073个相同的DEGs。富集分析结果显示,在突变体无病斑叶、少量病斑叶和大量病斑叶中许多防御相关过程显著富集,且在少量病斑叶和大量病斑叶中富集的生物过程和基因数目更多,表明突变体少量病斑叶和大量病斑叶中防御相关过程的激活比无病斑叶更强烈。基于GO和KEGG数据库,筛选到49个与光合色素代谢相关的DEGs,其中在突变体少量病斑叶和大量病斑叶中叶绿素合成关键酶基因UROD1、POR和Chl M下调表达,而叶绿素降解关键酶基因PAO和CLH2以及类胡萝卜素生物合成关键酶基因ZEP和BCH上调表达;筛选到36个与光合作用相关的DEGs,其中大量关键基因如Psb W、Psb28、FNR、OEE、LHCb2和LHCb6在突变体少量病斑叶和大量病斑叶中下调表达;筛选到39个与叶绿体发育相关的DEGs,大部分基因在突变体中表达下调,且下调基因数目在无病斑叶、少量病斑叶和大量病斑叶中逐渐增多;筛选到78个与活性氧代谢相关的DEGs,其中大多数参与调节活性氧产生的基因如NR、POD5、POD12、POD44、POD47、POD56和POD59在突变体少量病斑叶和大量病斑叶中上调表达;筛选到35个防御相关基因、38个类黄酮生物合成相关基因、13个单萜类生物合成相关基因和9个二萜植保素生物合成相关基因,其中许多防御相关基因如RGA1、RGA2、RGA3、RPM1、RPS2、PR1、PR4、PR10和PTI6,类黄酮生物合成基因如FLS、FS、F3H、F3’5’H、DFR、CHI和HCT,单萜类生物合成基因如TPS2、TPS3和LIS以及二萜植保素生物合成基因如CYP76M5、KSL1、KSL2、KSL4和KSL6在突变体中表达上调,且在少量病斑叶和大量病斑叶中上调的基因数目多于无病斑叶。因此防御相关过程已经在突变体无病斑叶中启动,且这些过程在少量病斑叶和大量病斑叶中显著扩增,导致更广泛的转录激活。综合生理、亚显微结构和转录组分析结果,推测该类病变突变基因可能通过影响ROS过度积累、防御相关基因表达上调和植物抗菌素生物合成途径的激活来增强抗病性,同时ROS的过度积累造成叶绿体结构损伤和脂质过氧化,导致叶绿体发育不良,叶绿素合成受阻,光合速率下降,最终诱导细胞死亡和早衰的发生,产生类病变表型,且这些过程都是以一种病变依赖的方式发生变化。