New Phytologist | 中国农业大学任华中课题组揭示黄瓜抵御枯萎病侵染的新机制

责编 | 王一

2022年9月6日， 中国农业大学园艺学院任华中教授/刘兴旺副教授团队在New Phytologist发表了题为“A chitinase CsChi23 promoter polymorphism underlies cucumber resistance against Fusarium oxysporum f. sp. Cucumerinum”的研究论文。该研究基于正向遗传学手段首次在葫芦科作物黄瓜中鉴定出抗枯萎病的关键基因CsChi23并解析了其启动子关键作用元件变异产生枯萎病抗性的机制。该研究结果为黄瓜枯萎病抗性育种提供了重要的等位变异参考，理论与实践意义明显。

枯萎病是植物“癌症”之一，因其具有发病速度快、发病率高的特点而严重威胁着世界各地的黄瓜生产。黄瓜枯萎病是由土壤传播的黄瓜专化型尖镰孢菌维管真菌病原体 （Fusarium oxysporum (Schl.) F.sp cucumerinum Owen，FOC） 引起。目前尖孢镰刀菌黄瓜专化型已鉴定出生理小种1号（美国）、生理小种2号（以色列）和生理小种3号（日本）和生理小种4号（中国）等4个生理小种。黄瓜对枯萎病菌广泛具有易感性，尤其是在中国设施栽培常年连作现象普遍，迫切需要寻找新的抗病资源以制定有效的控制措施。尽管我国现有栽培黄瓜品种大多对 Foc.具有抗性，但抗性基因的鉴定及机制的解析尚未报道。

任华中教授课题组利用自主创制的黄瓜Foc.高抗、敏感品系材料，借助图位克隆手段成功鉴定到枯萎病的抗性候选基因CsChi23（图1） 。该基因编码一种质外体 I 类几丁质酶，其表达水平受Foc.侵染强烈诱导。进一步转基因功能验证表明CsChi23在枯萎病抗性中发挥重要作用：在 Foc.感病材料“3229”中过表达 CsChi23 可增强黄瓜枯萎病抗性并减少病原菌生物量的积累，相反在抗病材料“3461”中沉默 CsChi23 则导致枯萎病抗性丧失。抗菌生物活性试验也证实CsChi23蛋白在体外具有抑制枯萎病菌生长的功能。

图1 黄瓜不同抗性材料中CsChi23基因的鉴定

为进一步理解CsChi23参与抗病的作用机制，本研究通过酵母单杂交、电泳迁移率变化及双荧光素酶等试验鉴定出 CsHB15 编码的 HD-Zip III 转录因子可结合并激活 CsChi23 的启动子区域，但在感病材料“3229”中CsChi23上游-400bp处G到A的单核苷酸多态性突变可以消除CsHB15与之结合。同时，该团队还利用实验室前期开发的TSRV技术 （Dong et al., 2022, Plant Physiology） 证实了CsHB15 VIGS株系可显著降低枯萎病抗性 （图2） 。综上，CsChi23 和 CsHB15 共同组成一个功能模块调节黄瓜几丁质酶的生物合成及其对 Foc.的防御。

图3 抗性材料3461中分别沉默CsChi23及CsHB15可显著降低其对枯萎病的抗性

中国农业大学已毕业博士生Ezra S. Bartholomew、在读博士生徐硕为该论文共同第一作者，任华中教授和刘兴旺副教授为论文的通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

任华中、刘兴旺课题组聚焦黄瓜遗传改良与分子调控研究并取得了系列重要研究进展，近年来在New Phytologist（2018，2022）、Plant Physiology（2016，2022）、The Plant Journal（2021）、Plant Biotechnology Journal （2019）、Journal of Experimental Botany、Horticulture Research等国际主流学术期刊发表论文30余篇。

参考文献：

Bartholomew E, Xu S, Zhang Y, Yin S, Feng Z, Chen S, Sun L, Yang S, Wang Y, Liu P, Ren H, Liu X. 2022. A chitinase CsChi23 promoter polymorphism underlies cucumber resistance against Fusarium oxysporum f. sp. Cucumerinum. New Phytologist. Doi: 10.1111/nph.18463.

Bartholomew E, Black K, Feng Z, Liu W, Shan N, Zhang X, Wu L, Baily L, Zhu N, Qi C, Ren H, Liu X.2019. Comprehensive analysis of the chitinase gene family in cucumber (Cucumis sativus L.): from gene identification and evolution to expression in response to Fusarium oxysporum. International Journal of Molecular Science. 20,5309.

Dong M, Xue S, Bartholomew E, Zhai X, Sun L, Xu S, Zhang Y, Yin S, Ma W, Chen S, Feng Z, Geng C, Li X, Liu X, Ren H.2022. Transcriptomic and functional analysis provides molecular insights into multicellular trichome development. Plant Physiology, 189(1):301-314.

论文链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18463