Advanced Science [2023 IF14.3 ]南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用植物原生質(zhì)體制備及轉(zhuǎn)化試劑盒（目錄號(hào)：RTU4072）發(fā)表文章
滲透素被歸類為第5組致病相關(guān)蛋白。然而，其在植物抗病性中涉及的分子機(jī)制仍大部分未知。
2024年10月16日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)郭旺珍及王心宇共同通訊在Advanced Science 在線發(fā)表題為“Natural SNP Variation in GbOSM1 Promotor Enhances Verticillium Wilt Resistance in Cotton”的研究論文。王桂林為論文第一作者。
該研究在海島棉(Gb)中鑒定出一種抗黃萎病(VW)相關(guān)的滲透素基因GbOSM1。GbOSM1優(yōu)先在抗病海島棉(G. barbadense acc. Hai7124) 的根部表達(dá)，并受到大麗黃萎病(Vd)的高度誘導(dǎo)。沉默GbOSM1可降低Hai7124的VW抗性，而在易感疾病的海島棉中過量表達(dá)GbOSM1可提高耐受性。GbOSM1主要定位在液泡膜中，而在受到滲透脅迫或Vd感染時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)移到質(zhì)外體。GbOSM1通過水解Vd的細(xì)胞壁多糖并激活植物免疫途徑來賦予VW抗性。自然變異導(dǎo)致棉花品種OSM1啟動(dòng)子中CCAAT/CCGAT元件的差異。所有G.hirsutum(Gh)都表現(xiàn)出CCAAT單倍型，而G.barbadense中有兩種CCAAT/CCGAT單倍型，CCGAT單倍型表達(dá)量更高，抗VW性更強(qiáng)。NFYA5轉(zhuǎn)錄因子與GhOSM1啟動(dòng)子的CCAAT元件結(jié)合并抑制其轉(zhuǎn)錄。沉默GhNFYA5可提高GhOSM1的表達(dá)量并增強(qiáng)抗VW性。這些結(jié)果拓寬了對(duì)滲透素功能機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并為培育抗VW棉花提供了有效的策略。
黃萎病（VW）是由土傳維管束真菌Verticillium dahliae Klep.（Vd）引起的病害。Vd寄主范圍廣，可對(duì)棉花、番茄、馬鈴薯等作物造成嚴(yán)重危害。Vd以微菌核的形式在土壤中存活很長(zhǎng)時(shí)間，在適宜的條件下直接侵染植物根部，首先穿透根表皮，定殖于木質(zhì)部中的維管系統(tǒng)，然后堵塞維管并釋放毒素，導(dǎo)致葉片失綠、枯萎、植株死亡，大大降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。由于Vd在土壤中傳播并定殖于維管組織內(nèi)部，使用化學(xué)殺菌劑防治VW效率低且對(duì)環(huán)境有害，因此最合理的防治方法是挖掘必需的抗性基因和培育抗VW的植物品種。
棉花（Gossypium spp.）是世界上一種重要的天然紡織纖維作物。四倍體陸地棉和海島棉是兩種主要的棉花栽培品種，它們起源于A-二倍體和D-二倍體物種之間的一次雜交事件。大多數(shù)海島棉種質(zhì)對(duì)VW具有抗性，而占全球棉花產(chǎn)量約97%的陸地棉卻不具有抗性。棉花對(duì)VW的抗性是一種由多個(gè)基因座控制的復(fù)雜遺傳性狀，易受環(huán)境影響。迄今為止，利用標(biāo)記輔助作圖或全基因組關(guān)聯(lián)研究已檢測(cè)到400多個(gè)與VW抗性相關(guān)的數(shù)量性狀基因座(QTL)，它們廣泛分布在幾乎所有26條四倍體棉花染色體中。然而，只有少數(shù)基因被克隆并進(jìn)行了功能鑒定。
圖位克隆表明，棉花GhLMMD基因編碼區(qū)內(nèi)的無義突變導(dǎo)致5-氨基乙酰丙酸的過度積累，從而提高活性氧和水楊酸的含量，促進(jìn)免疫反應(yīng)的激活和棉花對(duì)VW的抗性增強(qiáng)。通過解析海島棉和陸地棉基因組的結(jié)構(gòu)變異，發(fā)現(xiàn)與VW抗性相關(guān)的變異主要位于D亞基因組中，而影響纖維產(chǎn)量性狀的變異則主要位于A亞基因組中。進(jìn)一步研究表明，位于D11染色體上與病程相關(guān)的10/Bet v1蛋白家族基因GhNCS可能是控制棉花VW抗性的一個(gè)可能致病基因。然而，由于棉花VW對(duì)生產(chǎn)的威脅日益嚴(yán)重，而單個(gè)基因座對(duì)抗VW的影響又有限，分離更多的VW抗性基因，特別是那些既能增強(qiáng)抗性又不對(duì)棉花其他農(nóng)藝性狀產(chǎn)生不利影響的基因顯得尤為重要。
植物進(jìn)化出了兩大防御系統(tǒng)，即PTI（病原體相關(guān)分子模式觸發(fā)免疫）和ETI（效應(yīng)物觸發(fā)免疫），以應(yīng)對(duì)病原體的攻擊。PTI系統(tǒng)性地防御病原體的入侵，而ETI通常導(dǎo)致局部程序性細(xì)胞死亡。這兩個(gè)過程激活了許多相似的下游反應(yīng)，包括激素積累、活性氧（ROS）的產(chǎn)生和防御相關(guān)蛋白的表達(dá)。防御相關(guān)蛋白分泌到細(xì)胞外空間對(duì)于建立宿主植物的抗性至關(guān)重要。這個(gè)過程直接有效地最大限度地控制病原體的入侵。其中，一些由致病相關(guān)基因（PR）編碼的蛋白質(zhì)，如PR1、PR2和PR5，表現(xiàn)出抗菌活性，強(qiáng)烈暗示了它們具有防御作用。PR通常被定義為在健康組織中不存在或僅以極少量存在，但在病原體存在的病理?xiàng)l件下大量積累的蛋白質(zhì)，它們是區(qū)分植物抗病反應(yīng)啟動(dòng)的重要生化標(biāo)記。然而，棉花防御病原體過程中必需的PR及其功能機(jī)制仍然是個(gè)謎。
PR5是一類富含半胱氨酸的蛋白質(zhì)，由于其序列與索馬甜蛋白相似，也稱為索馬甜樣蛋白（TLP）。16個(gè)保守的半胱氨酸殘基均勻分布在整個(gè)PR5中，形成8個(gè)二硫鍵，以保障蛋白質(zhì)的準(zhǔn)確折疊和穩(wěn)定性。這一結(jié)構(gòu)特征還增強(qiáng)了它們抵抗蛋白酶、pH變化和熱誘導(dǎo)變性的能力。已報(bào)道的一種PR5蛋白含有244個(gè)殘基，缺乏甜味，在病原體感染過程中積累。它也是在煙草細(xì)胞滲透脅迫下產(chǎn)生的，因此也稱為滲透素，可增強(qiáng)植物對(duì)各種生物或非生物脅迫的耐受性。在根和莖組織中發(fā)現(xiàn)了大量滲透素，它們通過引起孢子裂解、降低孢子活力、抑制孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)而表現(xiàn)出抗真菌活性。分散在一級(jí)序列中五個(gè)高度保守的氨基酸REDDD可以在3D水平上形成保守的酸性裂解結(jié)構(gòu)域，確保滲透素的抗真菌活性。
多項(xiàng)研究指出，滲透蛋白進(jìn)入質(zhì)膜，導(dǎo)致跨膜孔形成和膜破裂，這可能與膜受體的識(shí)別有關(guān)。OsOSM1編碼水稻中的滲透蛋白，在抗紋枯病水稻品種中受立枯絲核菌強(qiáng)烈誘導(dǎo)，但在易感品種中則不受誘導(dǎo)。OsOSM1的過表達(dá)可提高水稻的抗病性。過量生產(chǎn)滲透蛋白的馬鈴薯對(duì)致病疫霉菌的抗性增強(qiáng)，體外純化的蛋白質(zhì)對(duì)病原菌更有效。可可樹中的TcOSM1可抑制Moniliophthora perniciosa菌絲體的生長(zhǎng)以及植物病原真菌大豆鐮刀菌和棉炭疽菌的孢子萌發(fā)。盡管在不同植物的滲透素基因方面取得了這些進(jìn)展，但滲透素的作用及其在棉花抗VW中的調(diào)控機(jī)制仍然很大程度上未知。
在之前的報(bào)道中，作者研究組利用對(duì)Vd分別表現(xiàn)出抗性和易感性的海島棉品種Hai7124和陸地棉品種君棉1，構(gòu)建了（君棉1×Hai7124）×君棉1 BC1分離群體，并在D11染色體上鑒定出一個(gè)與棉花VW抗性相關(guān)的主效QTL位點(diǎn)。本研究進(jìn)一步利用28對(duì)SSR引物將QTL區(qū)間精細(xì)定位到1.58Mb。結(jié)合Vd誘導(dǎo)的海島棉品種Hai7124和陸地棉品種TM-1根系RNA-seq數(shù)據(jù)，鑒定出一個(gè)重要的抗病基因GbOSM1。作者證實(shí)GbOSM1在抑制Vd生長(zhǎng)和引發(fā)植物整體免疫反應(yīng)中起著重要作用。不同棉花品種GbOSM1啟動(dòng)子中天然的A/G多態(tài)性形成了CCAAT和CCGAT元件的兩種單倍型，導(dǎo)致NFYA5轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合效率發(fā)生變化，進(jìn)一步影響GbOSM1轉(zhuǎn)錄本和植物抗病性。本研究拓展了作者對(duì)植物滲透蛋白抗病性的認(rèn)識(shí)，也為培育棉花抗VW品種提供了重要的基因資源。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202406522
文章中水稻原生質(zhì)體的提取和轉(zhuǎn)化使用了RTU4072 植物原生質(zhì)體制備及轉(zhuǎn)化試劑盒。