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(jìn)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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)制研究尚處起步階段。因此，研究團(tuán)隊(duì)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(jī)制。
研究團(tuán)隊(duì)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(dá)轉(zhuǎn)基因植株，通過病原接種試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3個轉(zhuǎn)基因高表達(dá)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(dá)降低了甘蔗對黑穗病的抗性，證實(shí)該基因在抗病過程中起負(fù)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(xì)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(dá)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(dá)ScLRR-RLK可增強(qiáng)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(dá)，明確ScWRKY2可通過抑制ScLRR-RLK表達(dá)參與負(fù)向調(diào)控甘蔗的抗病反應(yīng)。
為識別ScWRKY2的互作蛋白，研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)通過HDOCK分子對接分析預(yù)測ScWRKY2與ScPsbP具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了二者的相互作用。在煙草中共表達(dá)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(qiáng)，ROS清除相關(guān)基因NbCAT1和NbGST1表達(dá)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(jìn)而負(fù)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(jī)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(dá)，維持細(xì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)、廣西科技重大專項(xiàng)、熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(fèi)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.70186
