福建农林大学阙友雄/苏亚春团队揭示NPR1在甘蔗中的分子进化和生物学功能

责编 | 王一

甘蔗是 (Saccharum spp.) 是一种高光效的C4禾本科作物，分布于全球一百一十多个热带和亚热带国家，是全世界最重要的糖料作物和最具潜力的生物能源作物。与其他作物一样，甘蔗在种植生产过程中常遭受生物和非生物逆境胁迫的影响，极大程度制约了我国甘蔗产业的良性快速健康发展。因此，培育兼具高产高糖性状和强抗逆性的甘蔗新品种势在必行。挖掘并鉴定甘蔗抗逆基因为培育抗逆甘蔗品种提供了新思路与新策略，所获得的抗逆基因资源也有望应用于甘蔗抗逆基因工程育种。水杨酸是植物防卫反应的重要内源信号分子，在植物抵御逆境胁迫中发挥重要作用。病程相关基因非表达子1（nonexpressor of pathogenesis-related genes 1, NPR1）作为植物水杨酸信号转导途径中的关键调控因子，是植物免疫信号调控网络中的明星分子，其控制着2000多个与植物免疫有关的基因，在植物系统性抗病中发挥核心调控作用。迄今，关于甘蔗中NPR1类基因的进化和生物学功能的系统研究尚未见报道。

近日，福建农林大学阙友雄和苏亚春团队在国际学术期刊International Journal of Molecular Sciences在线发表了题为“Characterization and Functional Implications of the Nonexpressor of Pathogenesis-Related Genes 1 (NPR1) in Saccharum”的研究论文。该研究从甘蔗野生种割手密入手，聚焦甘蔗NPR基因家族的挖掘、分类、进化、结构特征和表达模式等开展研究。此外，作者还明确了甘蔗ShNPR1是一个核定位蛋白，其通过介导超敏反应，以及脱落酸、水杨酸和茉莉酸代谢途径，正向调控寄主植物对病原菌的防御反应。本研究为甘蔗NPR基因家族提供了全面的信息，为深入解析该基因在抗病中的功能作用及其调控机制奠定了基础，所获得的NPR基因则有望作为甘蔗抗病分子育种的基因资源。

该研究将甘蔗NPR基因家族分为三组（分支I, II和III），进化树聚类分析显示导致NPR基因功能分化的古老复制事件可能发生在单子叶-双子叶植物分化之前（图1A）。基因结构特征显示同一分支的甘蔗和拟南芥有着相似的基因结构、典型结构域和保守基序（图1B）。共线性分析表明，NPR基因家族在进化过程中经历了较强的纯化选择（图1C）。通过转录组数据分析表明，NPR基因在不同甘蔗组织中组成型表达，并参与了甘蔗与黑穗病菌的互作进程（图1D）。多序列比对发现，拟南芥NPR1基因中的npr1-1、npr1-2和nim1-2功能位点以及半胱氨酸C82、C156和C216位点在所有序列中高度保守（图1E）。

图1 甘蔗NPR基因家族的鉴定

进一步，作者从甘蔗栽培品种ROC22中同源克隆了一个ShNPR1基因并证明其为核定位的分支II组成员（图2A）。该基因在不同甘蔗组织中组成型表达，其表达还可被黑穗病菌以及脱落酸、水杨酸和茉莉酸甲酯等外源激素所诱导（图2B,C）。此外，与对照相比，过表达ShNPR1基因在植物防御反应中发挥着积极作用。免疫相关基因的表达分析揭示，该基因可能通过调控超敏反应、茉莉酸和水杨酸途径相关基因的表达来参与转基因植株对病原菌胁迫的应答（图2D）。

图2 甘蔗ShNPR1基因编码蛋白的亚细胞定位及其功能分析

以上研究提供了甘蔗NPR的全面信息，将促进研究者们对NPR基因的生物学功能理解，并推动其在甘蔗遗传改良中的应用。

福建农林大学农学院在读研究生臧守建为该论文的第一作者；福建农林大学农业农村部甘蔗生物学与遗传育种重点实验室、国家甘蔗工程技术研究中心/农学院苏亚春副研究员和阙友雄研究员为该论文的共同通讯作者。福建农林大学农学院在读研究生覃丽谦、赵振南、张靖、邹文会、王东姣、封翱崟，云南农科院甘蔗研究所科研人员/福建农林大学在读博士研究生杨绍林参与了该研究。该研究得到国家重点研发计划、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室开放课题、福建省自然科学基金、农业农村部国家现代农业产业技术体系等项目的资助。

https://doi.org/10.3390/ijms23147984