福建农林大学阙友雄/吴期滨团队揭示甘蔗TGA基因家族的进化及其响应生物胁迫的机制

甘蔗（Saccharum spp.）是一种重要的经济作物，也是生产糖和生物能源的主要原料。其中，由鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的甘蔗黑穗病是世界上主要的甘蔗真菌病害，导致甘蔗产量和经济效益急剧下降。培育抗病品种是提高甘蔗品种抗黑穗病性的主要途径。然而，由于其复杂的遗传背景、长育种周期，传统的杂交育种培育出抗病甘蔗品种困难重重。基因工程可以缩短育种过程，已成为育种的手段之一，这使得功能基因的克隆和功能鉴定成为一项基础性工作。

亮氨酸拉链 (bZIPs) 在真核生物中是一类保守的转录因子，bZIP能够结合到特定的DNA序列上。其中，TGACG基序结合因子 (TGACG motif binding factor，TGA) 是一类特别的转录因子，能够识别具有“TGACGT”特定结合序列的蛋白质，并以其同源DNA结合基序而命名，属于bZIP超家族的D组成员。TGA家族蛋白质具有保守的结构域bZIP域，包括N-末端的保守基序N-x7R/K-x9-L-x6-L-x6-L和C-末端的bZIP-D box，不仅在响应各种胁迫方面发挥关键作用，还在调控植物生长过程中有功重要能。

近日，福建农林大学吴期滨/阙友雄团队在Plant Physiology and Biochemistry在线发表了题为“Dissecting the features of TGA gene family in Saccharum and the functions of ScTGA1 under biotic stresses”的研究论文。该研究聚焦甘蔗SsTGA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。作者还鉴定了一个ScTGA1基因，揭示了过表达该基因可能通过影响过敏反应相关基因的表达、叶片H2O2含量积累以及细胞坏死，从而调控植物对病原菌侵染的防御反应。最后，提出了甘蔗ScTGA1蛋白功能作用的机制模式。该研究将有助于深入解析甘蔗ScTGA1基因家族进化趋势、功能分化模式及生物胁迫的响应机制。

该研究在割手密中鉴定到44个SsTGA基因，被划分到3个分支（图1-1）。基因结构分析揭示了SsTGA蛋白的保守性与多样性（图1-2）。共线性分析表明，共有10对基因表现出共线性，其中7对来自同源染色体，3对来自非同源染色体（图1-3）。对SsTGA基因上游2，000 bp的启动子顺式作用元件预测，结果显示有大量响应激素胁迫和生长发育等相关的元件（图1-4）。

图1 甘蔗SsTGA基因家族的分类、结构特征、共线性以及启动子顺式作用元件分布

RNA-seq数据挖掘和qRT-PCR分析表明，SsTGA基因在甘蔗不同组织中组成型表达（图2-1）。进一步，作者从甘蔗栽培种ROC22中克隆到一个与割手密同源的SsTGA1基因，命名为ScTGA1 (GenBank accession number: ON416997)，该基因包含bZIP超家族典型的保守结构域，包括在N端有DNA结合域，在中间具有bZIP家族特有的保守结构bZIP域和DOG1域，在C端有bZIP-D box，表明该基因是bZIP超家族的D组成员。此外，该基因在应对黑穗病菌、水杨酸和茉莉酸甲酯呈现出不同的表达模式（图2-2，2-3）。编码蛋白的亚细胞定位分析表明，该蛋白在细胞核中发挥作用（图2-4）。我们发现，同野生型相比，过表达ScTGA1基因的烟草植株显示出更小的叶片病斑面积、DAB染色更浅以及ROS积累更少，并通过调控免疫途径（HR、ET、SA、JA）相关基因的上调表达，赋予转基因植株对青枯菌 (Ralstonia solanacearum) 和镰刀菌 (F. solani var. coeruleum) 的耐受性（图2-5）。因此，ScTGA1基因的过表达能够显著增强了转基因植株的抗病能力。

图2 甘蔗SsTGA基因家族的表达特征及功能分析

最后，作者构建了甘蔗ScTGA1蛋白的潜在调控模型（图3）。以上研究有助于我们加深理解甘蔗SsTGA基因家族的进化和功能，也为进一步解析ScTGA1蛋白在甘蔗抵御病原微生物侵染中的功能提供一些线索或启示。

图3 甘蔗SsTGA1蛋白的调控模型

福建农林大学农学院2020级研究生赵振南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和国家甘蔗工程技术研究中心/农学院阙友雄研究员和吴期滨博士为该论文通讯作者，苏亚春副研究员和尤垂淮博士也参与了该项工作。福建农林大学已毕业本科生张人仁、农学院在读博士王东姣、研究生张婧、藏守建、邹文会和封翱崟也参与了该研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省杰出青年科学基金和国家糖料产业技术体系等项目的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0981942823002711