中国热科院生物所阙友雄/吴期滨团队揭示甘蔗ScCAX4通过JA信号通路负调控抗病性

甘蔗（Saccharum spp.）是世界上最重要的糖料作物，蔗糖占世界食糖产量的80%左右。由鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的甘蔗黑穗病是甘蔗产业中最为重要、传播最广的真菌病害，严重年份可造成高达20%~50%的产量损失，在极端情况下甚至会导致作物完全绝收，被称为“癌症”。培育抗病新品种是防治甘蔗黑穗病最为经济有效的措施，其中挖掘和鉴定甘蔗抗病基因是利用转基因或基因编辑技术培育抗黑穗病新品种的前提和基础。

Ca2+/H+反向转运体（Ca2+/H+ exchanger，CAX）能够调节植物细胞内Ca2+水平，在植物生长发育和响应外界胁迫过程中发挥重要作用。课题组前期已经对CaCA超家族进行了系统鉴定（BMC Genomics, 2021, 22:549），发现甘蔗ScCAX1-4等4个基因能够在黑穗病响应中发挥作用，还对ScCAX1（作物学报, 2016, 42(7): 1074-1082）、ScCAX2和ScCAX3（Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2024, 72, 10506–10520）等3个基因的功能进行了探索。迄今，关于甘蔗ScCAX4基因如何在植物抗病过程中发挥作用及其调控通路是怎么样的，尚未见研究报道。

近日，热带作物生物育种全国重点实验室/中国热带农业科学院热带生物技术研究所阙友雄和吴期滨团队在农林科学领域权威期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry（中科院一区TOP，IF=6.1）在线发表了题为Sugarcane ScCAX4 is a negative regulator of resistance to pathogen infection的研究论文。该研究在阐明甘蔗ScCAX4基因的序列特征和表达模式的基础上（图1），首先通过瞬时表达，发现过表达ScCAX4可能通过影响水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）、乙烯（ET）和活性氧（ROS）等多个通路，导致转化植株对病原菌侵染敏感。然后，通过遗传转化及RNA-seq等方法，深入验证了该基因在植物病原菌免疫中的作用，并构建了由其介导的植物免疫反应模型，揭示了甘蔗ScCAX4与JA途径密切相关，共同作用负调控转基因植株对于病原菌的防御反应。以上研究为探究甘蔗ScCAX4基因的抗病作用机制奠定了基础，为甘蔗抗性育种提供了潜在的基因资源。

图1 甘蔗ScCAX4基因的序列特征和表达模式

研究发现，稳定过表达ScCAX4基因的转基因植株对病原菌具有更高的敏感性，与野生型相比，表现出更大的病斑面积和更高的H2O2积累（图2A和2B）。同时，转基因和野生型植株之间，HR标记基因、SA信号通路相关基因、JA信号通路相关基因、ET信号通路相关基因和ROS相关基因的表达存在显著差异（图2C）。

图2 过表达ScCAX4基因的转基因植株响应病原菌侵染的免疫反应

进一步，通过RNA-seq构建了ScCAX4基因介导的免疫反应调控网络，在接种病原菌后，植物激素信号转导、MAPK信号转导以及及植物-病原体相互作用等等通路基因差异表达（图3A）。其中JA通路基因在野生型中无响应，但在过表达ScCAX4株系中显著上调表达（图3B），揭示了JA通路在免疫过程中的关键作用。

图3 过表达ScCAX4的转基因植株响应病原菌侵染的调控网络

最后，作者构建了甘蔗ScCAX4基因在抗病防御反应中的调控机制模型（图4）。以上研究有助于我们深入理解CAX基因在植物响应生物胁迫中的作用，并为后续深入解析CAX基因的抗病功能提供了方向。

图4 甘蔗ScCAX4基因在病原菌胁迫响应中的调控机制模型

中国热带农业科学院甘蔗研究中心客座研究人员/北京协和医学院药用植物研究所张畅为该论文的共同第一作者；中国热带农业科学院/热带生物技术研究所/热带作物生物育种全国重点实验吴期滨副研究员和中国热带农业科学院甘蔗研究中心主任/热带生物技术研究所/热带作物生物育种全国重点实验/福建农林大学阙友雄研究员为该论文的共同通讯作者。中国热带农业科学院/热带生物技术研究所/热带作物生物育种全国重点实验孙婷婷副研究员，福建农林大学国家甘蔗工程技术研究中心苏亚春副研究员，福建农林大学农学院在读硕士生李振香，在读博士生臧守建和王东姣参与了本研究工作。该研究得到热带作物生物育种全国重点实验室科研专项、国家重点研发计划、中央引导地方科技发展专项、国家糖料产业技术体系、广西省和云南省甘蔗遗传育种重点实验室开放课题等项目的资助。

https://doi.org/10.1021/acs.jafc.4c00805