福建农林大学阙友雄/苏亚春团队揭示甘蔗茉莉酸合成通路关键酶基因AOS正调控植物对病原菌的防御

甘蔗（Saccharum spp.） 是世界上重要的制糖和生物燃料作物。甘蔗病害，包括黑粉菌 （Sporisorium scitanmineum） 引起的黑穗病，严重影响甘蔗的产量和品质。近年来，植物激素茉莉酸 （jasmonic acid，JA） 的生物合成和信号转导及其在植物生长、发育和对生物/非生物胁迫的响应过程中的交互作用已经被阐明。丙二烯氧化物合成酶 （allene oxide synthase，AOS，EC 4.2.1.92） ，是一种典型的细胞色素P450酶，属于PLN02684超家族。作为茉莉酸生物合成的关键酶，AOS以催化底物的不同可以分为以(13S)-过氧化氢-(9Z,11E,15Z)-十八碳三烯酸[(13S)-hydroperoxy-(9Z,11E,15Z)-octadecatrienoic acid，13-HPOT]为特定催化底物的13-AOS、对(9S)-过氧化氢-(9Z,11E,15Z)-十八碳三烯酸[(9S)-hydroperoxy-(9Z,11E,15Z)-octadecatrienoic acid，9-HPOT]具有催化活性的9-AOS以及对9-HPOT和13-HPOT都具有催化活性的9/13-AOS三类。根据报道，AOS广泛参与调控植物的生长发育，并积极参与应答机械损伤、激素、病原菌等各种胁迫反应，在增强植物对外界环境适应性方面发挥作用，但在甘蔗中的研究与应用尚未见报道。因此，系统研究甘蔗AOS基因家族的特性和功能具有较为重要的理论和实践意义。

近日，福建农林大学阙友雄和苏亚春团队在国际权威期刊Industrial Crops and Products在线发表了题为“The allene oxide synthase gene family in sugarcane and its involvement in disease resistance”的研究论文。该研究从甘蔗野生种割手密基因组和热带种基因组入手，聚焦甘蔗AOS基因家族的挖掘、分类、进化、结构特征、启动子顺式作用元件、表达模式、抗病功能及其调控机制解析开展研究。此外，作者还明确了甘蔗ShAOS1作为一个定位于质膜的催化酶，通过调控大量转录因子 （transcription factors，TFs） 、蛋白激酶 （protein kinases，PKs） 、一系列的刺激反应过程及包括活性氧 （reactive oxygen species，ROS） 、过敏反应 （hypersensitive response，HR） 、茉莉酸、乙烯 （ethylene，ET） 和脱落酸 （abscisic acid，ABA） 等信号通路，增强植物对病原菌的防御反应。该研究揭示了甘蔗AOS基因家族的起源、分布、进化和抗病调控机制，有助于全面系统的了解AOS基因的特性和功能，为甘蔗抗性育种提供了潜在的基因资源。

首先，该研究在基因组水平上，从割手密和热带种基因组中分别鉴定出8个SsAOS和36个SoAOS基因。系统发育树显示，来自不同植物的AOS可聚类为4组，分别为13-AOS、9-AOS、9/13-AOS type Ⅰ和9/13-AOS type Ⅱ （图1A） 。进化分析表明，AOS基因家族在结构上相对保守，但在割手密和热带种中具有不同的进化机制 （图1B） 。启动子序列顺式作用元件分析结果显示，甘蔗AOS基因的启动子区存在包括光响应、ABA响应、MeJA响应、厌氧诱导、干旱诱导等在内的多种胁迫响应元件 （图1C） 。表达模式分析表明，AOSs在甘蔗不同组织中组成型表达，并能积极参与甘蔗对黑穗病菌胁迫的防御反应，但不同成员间存在差异 （图1D） 。

图1 甘蔗AOS基因家族的鉴定、进化和表达分析

其次，作者从甘蔗杂交种YC05-179中分离得到了SsAOS1a和SsAOS1b的同源基因ShAOS1 （GenBank Accession Number：MK674850） ，该基因编码一个定位于质膜的非分泌性的酸性稳定亲水性9/13-AOS蛋白，在甘蔗对茉莉酸甲酯 （methyl jasmonate，MeJA） 、水杨酸 （salicylic acid，SA） 和脱落酸胁迫的响应中发挥积极作用。瞬时过表达分析发现，ShAOS1基因在本氏烟 （Nicotiana benthamiana） 叶片中的瞬时过表达可促进过氧化氢 （hydrogen peroxide，H2O2） 的积累，并诱导免疫相关基因的表达 （图2A） 。此外，稳定遗传转化和转录组分析表明，ShAOS1基因的过表达能够通过调控大量转录因子和蛋白激酶，以及一系列刺激反应过程和信号通路 （如HR、JA、ET和ABA） ，增强转基因株系对烟草茄病镰刀菌蓝色变种 （Fusarium solani var. coeruleum） 的抗性 （图2B和2C） 。

图2 甘蔗ShAOS1基因的抗病功能分析

最后，综合表型、生理和分子三个维度，作者构建了甘蔗ShAOS1基因在抗病防御反应中的调控机制模型（图3）。该研究不仅为甘蔗AOS基因家族的全基因组鉴定和抗病分析提供了良好的框架，而且为甘蔗抗病育种提供了靶标基因。

图3 甘蔗ShAOS1基因的抗病调控机制模型

福建农林大学农学院在读博士研究生孙婷婷为该论文的第一作者；福建农林大学甘蔗综合研究所、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，尤垂淮博士参与该项工作。福建农林大学农学院在读研究生陈瑶、封翱崟、邹文会、王东姣、林佩霞及陈燕玲参与该研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省自然科学基金、国家甘蔗工程技术研究中心主任基金和国家糖料产业技术体系等项目的资助。

https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.116136