湖南科技大学科研工作

项目公示信息（自然科学奖）一、项目名称：WRKY转录因子在水稻抗真菌病害中的调节功能与机理二、提名者及提名意见提名单位：湖南科技大学提名意见：该项目围绕水稻如何从生理与分子层面抵御主要真菌病害(纹枯病、稻瘟病)的关键科学问题，对WRKY转录因子在水稻抗真菌病害的调节功能与机理进行系统研究，获得以下有价值的、原创性研究成果：1）首次发现了WRKY转录因子存在亮氨酸拉链类似结构，证明了水稻WRKY89在蛋白分子结构与生化功能之间的一致性，阐明了WRKY89在水稻对稻瘟病、稻飞虱与UV-B交叉抗性中的正调节作用及促进蜡质等次生代谢物在细胞表皮沉积的生理与分子机制。2）揭示了水稻WRKY30、WRKY4在纹枯病、稻瘟病抗性中的正调节功能，明晰了茉莉酸/乙烯信号通路在其中的关键作用。3）发现WRKY80-WRKY4是水稻防卫反应中的一个新调节组件，彼此协同，增强水稻对纹枯病的抗性。4）在全基因组尺度上，鉴定、系统命名了102个水稻WRKY基因，提出了植物WRKY蛋白的进化路线；发现了15个对一氧化氮信号响应的水稻WRKY基因，提出了一氧化氮信号可能参与植物WRKY的调节过程的科学假设。所列8篇论文，其中7篇论文发表在PlantMolBiol、DNAResearch等SCI权威期刊，多次被NatureGenetics、NaturePlant、NatureCommunications、AnnualReviewofGentics、TrendsinPlantScience、AnnualReviewofPhytopathology、MolecularPlant、PlantCell等期刊他引；1篇发表在国内CSCD核心期刊中国水稻科学，入选2016年度“中国精品科技期刊顶尖学术论文”领跑者5000（F5000）。获省优秀论文一等奖1篇，发明专利1项。该研究在理论上有突破，创新性强，其重要科学结论得到国内外同行专家高度评价和引用，研究水平居国内外同领域先进地位，特此提名该项目为湖南省自然科学奖三等奖。成果材料齐全、规范，无知识产权纠纷，人员排序无争议，符合湖南省自然科学奖提名条件。特提名为湖南省自然科学奖三等奖。三、项目简介水稻是主要的粮食作物和单子叶模式植物。真菌性稻瘟病、纹枯病位列水稻病害前二位。WRKY转录因子是植物中重要的抗病调节子。本项目围绕WRKY在水稻对稻瘟病、纹枯病抗性中的调节功能与作用机制展开系列研究，对深入阐明作物免疫的分子机制具有重要意义，同时可为作物分子育种提供基因资源。发现WRKY89赋予水稻对稻瘟病、稻飞虱与UV-B的交叉抗性，阐明了其发挥正调节作用的生理与分子机理。WRKY89的N端存在亮氨酸拉链类似结构(LZL)，可介导蛋白同聚化，增强WRKY89与启动子顺式元件结合的亲和性，这是WRKY蛋白存在LZL的首次发现。WRKY89的多抗性与它促进表皮蜡质分子排列与沉积、细胞壁木质素合成相关，正因为其多抗特征，预示它在作物分子育种中具有广阔的应用前景。相关研究成果发表在PlantMolecularBiology。阐明了水稻WRKY30和WRKY4在纹枯病、稻瘟病抗性中的重要调节功能，揭示了其促进水稻抗病性与茉莉酸信号途径具有重要关联。WRKY30通过调节PR3、PR10和茉莉酸（JA）合成相关基因—LOX、AOS2的表达，提高内源JA的含量，增强水稻对纹枯病和稻瘟病的抗性。该工作在Planta发表。WRKY4通过JA/ET信号通路正调控水稻对纹枯病的抗性，相关研究成果发表在PlantMolecularBiology。提出了一种新的、在水稻纹枯病抗性发挥作用的WRKY正调节组件—WRKY80-WRKY4，丰富了人们对水稻WRKY网络调控植物抗病反应的认识。WRKY80位于WRKY的上游，组成调节级联，协同调控水稻对纹枯病的抗性。相关研究成果发表在Rice上。系统鉴定、分类并命名水稻WRKY家族，提出了植物WRKY蛋白进化的可能路线；挖掘了一系列在水稻防御中具有潜在调节作用的候选WRKY基因，发现WRKY可能通过一氧化氮（NO）调节抗性。水稻基因组有102个WRKY基因，分为3组。水稻基因组曾发生WRKY结构域的获得与丢失、基因重复与分歧的进化现象。植物WRKY蛋白从具有一个WRKY域的原始蛋白演化而来，通过第II组逐步进化为第III组。相关研究成果发表在DNAResearch。通过芯片杂交，发现15个水稻WRKY基因响应NO，推测WRKY24参与植物与病原的互作，发表在中国水稻科学，评选为“中国精品科技期刊顶尖学术论文”F5000。上述系列工作获得了较好的学术反响。多篇研究论文被NatureGenetics、NaturePlant、NatureCommunications、AnnualReviewofGenetics、TrendsinPlantScience、AnnualReviewofPhytopathology、MolecularPlant、PlantCell等国际知名刊物多次引用并给予了较高的评价，5篇代表性论文和3篇主要论文SCI它引逾600次，授权发明专利1项。四、重要科学发现1.重要科学发现（限5页）WRKY转录因子在植物抗逆中发挥重要调节功能。水稻是主要的粮食作物，是单子叶模式植物。本研究针对一系列水稻WRKY转录因子在水稻主要真菌病害—稻瘟病、纹枯病抗性中的作用，以及它们如何通过茉莉酸/乙烯(JA/ET)等信号发挥作用的分子与生理机制展开系统解析，获得了如下原创性重要科学发现：（1）阐明了WRKY89作为转录因子的结构与生化基础，揭示了WRKY89在水稻对稻瘟病、稻飞虱与UV-B交叉抗性中的重要调节作用和分子及生理机制所属学科：分子生物学，植物病理学。A.WRKY89的N端亮氨酸拉链类似结构(LZL)促进WRKY89与W-box的特异性结合。凝胶阻滞证明，N末端LZL的缺失导致WRKY89蛋白与W-box的结合能力显著降低，而C末端缺失对WRKY89蛋白的结合能力无明显影响。酵母双杂交实验发现，N末端LZL介导WRKY80的同源互作，从而增强DNA结合活性。首次发现了植物某些WRKY转录因子具有LZL，证明该结构通过同源蛋白质的相互作用增强了转录因子与DNA顺式元件之间的亲和力。B.WRKY89增强水稻对稻瘟病、稻飞虱与UV-B的交叉抗性。发现WRKY89在叶、叶鞘、根中表达，受SA、JA和UV-B等诱导，通过超表达和RNAi遗传转化株系的抗性分析，证明了WRKY89在水稻对稻瘟病、稻飞虱与UV-B的抗性中发挥正调控作用；通过表皮蜡质电镜观察和抗性化合物测定，发现WRKY89促进叶片和茎秆表皮蜡质和木质素的合成代谢，从而赋予水稻抗性。本工作对深入理解植物对生物和非生物胁迫多抗性机制具有重要意义。该基因的多抗性特征提示其在作物抗性育种中有很好的应用潜能。论文2007年10月发表，是国际上关于WRKY参与水稻抗病性调节的第二篇论文（同年4月华中农大王石平等在MPMI上发表关于WRKY13的工作）。（2）阐明了水稻WRKY30和WRKY4在纹枯病、稻瘟病抗性中的重要调节功能与分子机理所属学科：植物病理学，分子生物学。A.揭示了水稻WRKY30在纹枯病、稻瘟病抗性中发挥正调节功能，明确了茉莉酸在其中的关键作用。WRKY30受JA、SA、纹枯病菌、稻瘟病菌显著且瞬时诱导；WRKY30是定位于细胞核中的转录激活子。超表达水稻株系对水稻纹枯病、稻瘟病的抗性显著增强，病原接种下JA合成相关基因LOX、AOS2和PR基因—PR3、PR10的表达显著提升，JA含量显著提升,而SA含量无明显差异。WRKY30的功能解析凸显了JA本身及其信号通路在植物抵御真菌病害过程中的重要性。在未受病原激发时，JA合成相关基因及PR基因的表达与野生型没有差异，而且超表达株系在形态学上的特征与野生型一致，因此WRKY30是一个优秀的抗性基因资源，在作物分子育种中有很好的应用前景。论文自2012年发表以来，SCI引用127次，Crossref引用129次，获湖南省第十五届自然科学优秀论文一等奖。B.WRKY4通过JA/ET信号通路正调控水稻纹枯病抗性。发现WRKY4在纹枯病菌、JA、ET处理下表达显著增强。WRKY4定位于细胞核，其WRKY结构域之间的酸性氨基酸区是转录激活域。超表达WRKY4植株对纹枯病更有抗性，而RNAi植株更加感病。发现JA/ET信号通路的防御相关PR基因—PR1a、PR1b、PR5、PR10/PBZ1是WRKY4调控的靶基因。（3）提出了一个新的WRKY调节组件—WRKY80-WRKY4，在水稻纹枯病抗性中组成调节级联，发挥重要的正调控功能所属学科：植物病理学，分子生物学。WRKY80与WRKY4在JA、ET和纹枯病菌诱导下的表达趋势相似，是否暗示它们在纹枯病抗性反应中有某种重要的关联？分析表明，WRKY80符合转录因子的生化与分子特征：定位于细胞核；具有较强的转录激活活性，其N末端，特别是C末端区域为转录激活活性所必需。超表达水稻植株对纹枯病的抗性显著增强，而RNAi植株的抗性则明显减弱。通过分析WRKY80超表达和RNAi株系中WRKY4的表达)，以及体内启动子结合实验，发现WRKY80处于WRKY4的上游，控制WRKY4的表达。这是继WRKY45-2–WRKY13–WRKY42之后(Chengetal.PlantPhysiol,2015,167:1087–1099）第二个发现的水稻WRKY抗病调节网络中的调节组件，对阐明WRKY通过JA/ET信号途径调控植物抗病的分子机理具有重要意义。（4）在全基因组尺度上鉴定、分类并系统命名水稻WRKY家族，提出了WRKY基因的进化路线;挖掘了一系列在水稻抗病反应中具有潜在调节作用的重要WRKY候选基因所属学科：基因组学。支持材料A.从水稻基因组中鉴别出102个WRKY基因，并分类和系统命名。发现水稻WRKY结构域的编码区有R型和O型两种保守类型的内含子剪接方式。串联重复和大片段重复是水稻WRKY基因数量扩张的重要原因，WRKY结构域的获得与丢失是驱动WRKY发生进化分歧的动力。通过与拟南芥、衣藻、原生生物WRKY序列的系统发育分析，首次提出了WRKY蛋白的进化模型：原始的WRKY蛋白只有一个类似于第I组的C末端WRKY结构域，逐渐演化为第I组WRKY；由第I组N末端结构域的丢失，演化为第II组WRKY各亚组；由WRKYIId进化为第III组。B.发现了一氧化氮（NO）参与WRKY转录因子介导的生物学过程。NO是植物中重要的气体信号。采用Agilent基因芯片分析了水稻WRKY基因家族在NO不同时间的表达谱，发现了15个早期响应NO的WRKY基因，推测NO信号参与WRKY对植物生理活动的调节过程；代谢通路分析表明，WRKY24涉及植物与病原之间的互作，我们2020年在RiceScience上发表的文章证实了这一点(Pengetal.2020,27(1):10-20)。本工作在《中国水稻科学》发表，评为2016年度“中国精品科技期刊顶尖学术论文”领跑者5000（F5000）。从水稻cDNA文库中克隆了WRKY52基因序列，通过表达与生化分析，发现了其参与水稻对稻瘟病应答反应的重要证据。2.研究局限性（限1页）本项目聚焦WRKY转录因子在水稻对真菌病害（稻瘟病、纹枯病）中调节作用与分子机理展开系列研究，取得了重要进展，然而受研究手段和项目完成人的水平限制，仍然存在一定的局限性。首先，在WRKY调控的靶基因筛选方面，本研究多以遗传转化株系（超表达或抑制表达）中SA、JA/ET抗病信号通路的标志基因的表达研究、启动子结合实验（凝胶阻滞、酵母单杂交、烟草注射的瞬间表达等）为研究手段，尚未拓展至染色质共沉淀（CoIP）等更为直接的技术。其次，在基因抑制表达的水稻株系创制上，本研究采用RNAi技术，未采用目前较为先进的CRISPR-Cas9基因敲除手段。这些技术手段本项目组正在采用。最后，我们发现了一些可能在水稻抗病性方面发挥重要调节作用的基因，有些基因与一氧化氮信号途径可能相关，这些基因的功能解析是今后工作的方向，其中WRKY24是重点目标。尽管WRKY24与水稻VQ7的调节回路已经明确（2020年1月发表在RiceScience），但其生物学功能有待超表达、CRISPR-Cas9基因编辑水稻植株的抗病分析。五、客观评价【限2页。围绕科学发现点的原创性、科学价值、国内外自然科学界公认度以及推动学科发展的作用进行客观、真实、准确评价。填写的评价意见要有客观依据，主要包括国内外同行在重要学术刊物、学术专著和重要国际学术会议论文集等公开发表的学术性评价意见，国内外重要科技奖励等，可在附件中提供证明材料。非公开资料（如私人信函等）不能作为评价依据。】代表作1揭示了WRKY89在水稻对稻瘟病、稻飞虱与UV-B交叉抗性中的正调节作用与分子机制。论文自2007年发表以来，被MolecularPlant、AnnualReviewofPhytopathology、NewPhytologists、CriticalReviewinPlantSciences、PlantPhysiology等高水平国际期刊多次引用，累计SCI引用178次。代表作2揭示了WRKY4通过JA/ET信号通路正调控水稻纹枯病抗性。论文自2015年发表以来，被NatureGenetics、PlantJournal、PlantBiotechnology等高水平国际期刊多次引用，累计SCI引用56次。代表作3阐明了WRKY30在水稻对纹枯病、稻瘟病抗性中发挥正调节功能和茉莉酸信号在其中的关键作用，论文自2012年发表以来，被NaturePlants、AnnualReviewofGentics、NewPhytologists、PlantPhysiology等高水平国际期刊多次引用，累计SCI引用128次。评为湖南省第十四届自然科学一等优秀学术论文。代表作4提出了一个新的WRKY调节组件—WRKY80-WRKY4，在水稻纹枯病抗性中组成调节级联，发挥重要的正调控功能。论文自2016年发表以来，被PlantJournal、PlantBiotechnology、TheoreticalandAppliedGenetics等高水平国际期刊多次引用，累计SCI引用35次。代表作5对在全基因组尺度范围内对水稻WRKY家族进行了鉴定与分类，提出植物WRKY蛋白的进化路线。论文自2005年发表以来，被AnnualReviewofPlantBiology、AnnualReviewofPhytopathology、TrendsinPlantSciences、MolecularPlant、PlantCell、NewPhytologists、PlantPhysiology等高水平国际期刊多次引用，累计SCI引用271次。论文8挖掘了15个对一氧化氮信号响应的水稻WRKY基因，推断一氧化氮信号可能参与植物WRKY的调节过程。该工作在国内CSCD核心期刊—中国水稻科学发表，评选为“中国精品科技期刊顶尖学术论文”F5000。六、代表作及论文目录（不超过8篇，其中代表作不超过5篇）序号代表作及论文名称/刊名/作者影响因子年卷页码（xx年xx卷xx页）发表时间（年月日）通讯作者（含共同）第一作者（含共同）国内作者他引总次数SCI他引次数知识产权是否归国内所有1OverexpressionofriceWRKY89enhancesultravioletBtoleranceanddiseaseresistanceinriceplants/PlantMolecularBiology/WangHH,HaoJJ,ChenXJ,HaoZN,WangX,LouYG,PengYL,GuoZJ4.0762007年65卷799–815页2007年10月25日郭泽建王海华,郝俊杰,陈旭君王海华,郝俊杰,陈旭君,郝中娜,王霞,娄永根,彭友良,郭泽建是2RiceWRKY4actsasatranscriptionalactivatormediatingdefenseresponsestowardRhizoctoniasolani,thecausingagentofricesheathblight/PlantMolecularBiology/WangHH,MengJ,PengXX,TangXK,ZhouPL,XiangJH,DengXB4.0762015年89卷157-171页2015年8月15日王海华王海华王海华,孟姣,彭喜旭,唐新科,周平兰,向建华,邓小波是3ConstitutiveexpressionofriceWRKY30geneincreasestheendogenousjasmonicacidaccumulation,PRgeneexpressionandresistancetofungalpathogensinrice.Planta/PengXX，HuYJ,TangXKZhouPL,DengXB,WangHH,GuoZJ4.1162012年236卷1485-1498页2012年7月14日王海华,郭泽建彭喜旭彭喜旭,胡耀军,唐新科,周平兰,邓小波,王海华,郭泽建是4OsWRKY80-OsWRKY4moduleasapositiveregulatorycircuitinriceresistanceagainstRhizoctoniasolani/Rice/PengXX,WangHH,JangJC,XiaoT,HeHH,JiangD,TangXinke4.7832016年9卷1-14页2016年11月25日王海华彭喜旭彭喜旭,王海华,肖婷,贺欢欢,蒋丹,唐新科是5TheWRKYfamilyoftranscriptionfactorsinriceandArabidopsisandtheirorigins/DNAResearch/WuKL,GuoZJ,WangHH,LiJ4.4582005年12卷9-26页2005年2月28日吴坤陆郭泽建吴坤陆,郭泽建,王海华,李靖是6LeucinezipperlikestructureinriceWRKY89enhancesitsaffinityforbindingwithWboxelements/ChineseScienceBulletin/WangHH,HaoZN,XieK,WuKL,GuoZJ1.8012005年50卷980-9892005年5月30日王海华郭泽建王海华,郝中娜,谢科,吴坤陆,郭泽建7IsolationofariceWRKYgeneOsWRKY52,whoseexpressionisinducedbyMagnaporthegrisea/生物化学与生物物理进展/WangHH,XieK,WuKL,GuoZJ0.3512005年32卷937-946页2005年10月20日王海华郭泽建王海华,谢科,吴坤陆,郭泽建是8水稻WRKY转录因子基因家族响应外源一氧化氮的表达谱分析/中国水稻科学/孟姣,王海华,向建华,蒋丹,彭喜旭,贺欢欢2.3192016年30卷111-120页2016年3月10日孟姣王海华孟姣,王海华,向建华,蒋丹,彭喜旭,贺欢欢是补充说明：代表作及论文他引总次数与SCI他引次数的数据委托权威机构查证，数据正在返回中。七、代表作及论文被他人引用的情况（不超过8篇）序号被引代表作及论文序号引文题目/作者引文刊名/影响因子引文发表时间（年月日）1代表作2NaturalvariationinZmFBL41confersbandedleafandsheathblightresistanceinmaize/LiN,LinB,WangH,LiX,YangF,DingX,YanJ,ChuZNatureGenetics/38.3302019年10月1日2代表作3Associationswithrhizospherebacteriacanconferanadaptiveadvantagetoplants/HaneyCH,SamuelBS,BushJ,AusubelFMNaturePlants/15.7932015年5月11日3代表作3Genomicvariationassociatedwithlocaladaptationofweedyriceduringde-domestication/QiuJ,ZhouY,MaoL,YeC,WangW,ZhangJ,YuY,FuF,WangY,QianF,QiT,WuS,MostSultanaH,CaoYN,WangY,TimkoMP,GeS,FanL,LuYNatureCommunications/14.9192017年5月24日4代表作1Cis-12-oxo-phytodienoicacidstimulatesricedefenseresponsetoapiercing-suckinginsect/GuoHM,LiHC,ZhouSR,XueHW,MiaoXXMolecularPlant/15.7932014年11月1日5代表作1RecentprogressinunderstandingPAMP-andeffector-triggeredimmunityagainstthericeblastfungusMagnaportheoryzae/LiuW,LiuJ,NingY,DingB,WangX,WangZ,WangGLMolecularPlant/15.7932013年5月1日6代表作1NovelInsightsintoRiceInnateImmunityAgainstBacterialandFungalPathogens/LiuW,LiuJ,TriplettL,LeachJE,WangGLAnnualReviewofPhytopathology/13.0782014年5月30日7代表作5Thedominantandpoorlypenetrantphenotypesofmaizeunstablefactorfororange1arecausedbyDNAmethylationchangesatalinkedtransposon/WittmeyerK,CuiJ,ChatterjeeD,LeeTF,TanQ,XueW,JiaoY,WangPH,GaffoorI,WareD,MeyersBC,ChopraSPlantCell/11.2772018年12月1日8代表作4Bacterialleafstreak1encodingamitogen‐activatedproteinkinaseconfersresistancetobacterialleafstreakinrice/MaZ,QinG,ZhangY,LiuC,WeiM,CenZ,YanY,LuoT,LiZ,LiangH,HuangD,DengGPlantJournal/6.4172021年6月7日八、主要完成人情况姓名排名行政职务技术职称工作单位对本项目贡献王海华1院长教授湖南科技大学项目第一完成人，对项目重要科学发现1、2、3、4做出了重要贡献，是代表作1的共同第一作者，代表作2的第一作者和通讯作者，代表作3的共同通讯作者，代表作4的通讯作者，代表作5的第3作者，论文6和7的第一作者，论文8的通讯作者彭喜旭2无副教授湖南科技大学项目主要完成人之一，对项目重要科学发现2、3、4做出了贡献，是代表作3和4的第一作者，代表作2的第三作者，论文8的第5作者郭泽建3无教授中国农业大学项目主要完成人之一，对重要科学发现1、2、4做出了贡献，是代表作1、5和论文6、7的通讯作者，代表作3的共同通讯作者吴坤陆4无副教授浙江大学项目主要完成人之一，对重要科学发现1、4做出了贡献，是代表作5的第一作者，