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中國熱科院在甘蔗轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控黑穗病抗性研究方面取得新進展

   2025-07-01 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院7810
  近日,中國熱科院生物所在甘蔗轉(zhuǎn)錄因子ScWRKY2調(diào)控黑穗病抗性方面取得重要進展。研究系統(tǒng)闡明了ScWRKY2在甘蔗響應(yīng)黑穗病脅迫中的分子機制,為甘蔗抗病育種提供了理論依據(jù)和基因資源。
 
  甘蔗是全球最重要的糖料作物,生物量巨大且能積累高濃度蔗糖,是世界和我國食糖的主要來源。然而,由黑穗病菌(Sporisorium scitamineum)引發(fā)的黑穗病,因其系統(tǒng)性侵染特性和宿根連作傳播方式,已成為制約甘蔗產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的首要病害。深入解析甘蔗抗黑穗病分子機制并挖掘關(guān)鍵抗性基因,是突破傳統(tǒng)育種瓶頸、創(chuàng)制抗病種質(zhì)、實現(xiàn)甘蔗生物育種的必由之路。WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物免疫信號網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要調(diào)控作用,是抗病基因工程的重要靶標(biāo)。迄今,雖然WRKY轉(zhuǎn)錄因子在多種作物的抗病功能已得到系統(tǒng)解析,但甘蔗WRKY成員在黑穗病抗性中的調(diào)控路徑及分子互作網(wǎng)絡(luò)仍不清晰,功能機制研究尚處起步階段。因此,研究團隊聚焦ScWRKY2轉(zhuǎn)錄因子,深入探究了其在甘蔗黑穗病抗性中的作用機制。
 
  研究團隊利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將ScWRKY2基因?qū)敫收崞贩NROC22,獲得15株過表達轉(zhuǎn)基因植株,通過病原接種試驗發(fā)現(xiàn),3個轉(zhuǎn)基因高表達株系(#OE1~#OE3)的株高顯著低于野生型(WT),且病原菌含量均顯著高于WT,感染后轉(zhuǎn)基因植株的SOD和POD活性也明顯低于WT。研究顯示ScWRKY2過表達降低了甘蔗對黑穗病的抗性,證實該基因在抗病過程中起負調(diào)控作用。
 
  研究還通過DAP-seq技術(shù)在全基因組范圍篩選ScWRKY2下游靶基因,共鑒定到5347個重疊結(jié)合峰,其中12.92%位于啟動子區(qū)域,富集的核心順式元件為典型W-box(TTGACC/T)。這些靶基因主要參與細胞過程、代謝活動、植物-病原互作及光合作用等通路。通過RNA-seq和DAP-seq聯(lián)合分析,獲得59個共有基因,其中富亮氨酸重復(fù)類受體蛋白激酶基因(ScLRR-RLK)在#OE3中表達顯著下調(diào),且ScWRKY2能結(jié)合ScLRR-RLK啟動子區(qū)的W-box元件并抑制其轉(zhuǎn)錄。同時,瞬時過表達ScLRR-RLK可增強植物抗病性,并上調(diào)活性氧(ROS)清除相關(guān)基因NbCAT1和NbGST1的表達,明確ScWRKY2可通過抑制ScLRR-RLK表達參與負向調(diào)控甘蔗的抗病反應(yīng)。
 
  為識別ScWRKY2的互作蛋白,研究團隊利用Y2H技術(shù)篩選甘蔗-黑穗病菌互作cDNA文庫,獲得88個陽性克隆,包括葉綠體相關(guān)蛋白ScPsbP。團隊通過HDOCK分子對接分析預(yù)測ScWRKY2與ScPsbP具有較強的結(jié)合能力,并通過實驗進一步驗證了二者的相互作用。在煙草中共表達ScWRKY2與ScPsbP并接種病原菌后,植株病害癥狀加重,H?O?積累顯著增強,ROS清除相關(guān)基因NbCAT1和NbGST1表達下調(diào)。結(jié)果表明,ScWRKY2可與ScPsbP形成復(fù)合物,共同參與ROS穩(wěn)態(tài)調(diào)控,進而負向影響植物抗病能力。
 
  本研究系統(tǒng)闡明了ScWRKY2在甘蔗響應(yīng)黑穗病脅迫中的分子機制,病菌侵染時,ScWRKY2結(jié)合免疫相關(guān)基因ScLRR-RLK啟動子W-box元件并抑制其轉(zhuǎn)錄;同時,ScWRKY2與葉綠體蛋白ScPsbP發(fā)生互作,誘導(dǎo)ROS清除相關(guān)基因的表達,維持細胞內(nèi)ROS穩(wěn)態(tài)。該研究為甘蔗抗黑穗病生物育種奠定了重要的理論基礎(chǔ),并提供了關(guān)鍵基因資源。
 
  該研究成果以“ScWRKY2: a key regulator for smut resistance in sugarcane”為題發(fā)表于《Plant Biotechnology Journal》。中國熱科院生物所王東姣助理研究員為該論文的第一作者。中國熱科院甘蔗研究中心主任/熱帶作物生物育種全國重點實驗室/中國熱科院生物所/三亞研究院闕友雄研究員、吳期濱副研究員和福建農(nóng)林大學(xué)/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部甘蔗生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室蘇亞春副研究員為共同通訊作者。本研究得到了中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)中心科技創(chuàng)新團隊、廣西科技重大專項、熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研項目、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金以及中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費等項目的聯(lián)合資助。
 
  論文鏈接:https://doi.org/10.1111/pbi.70186
 
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