Plant Cell Rep | 中国热科院生物所阙友雄/吴期滨团队揭示甘蔗ScOPR1通过免疫信号通路正调控植物抗病性

甘蔗（Saccharum spp.） 是世界上最重要的糖料作物和生物能源作物。目前，蔗糖产量占中国食糖总产量的90%以上。甘蔗产业的稳定发展对中国的食糖安全意义重大。由鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的甘蔗黑穗病是甘蔗生产中最重要的真菌病害，严重影响甘蔗产量及其蔗糖质量。培育抗黑穗病的甘蔗品种是解决该问题的根本途径。而抗病基因的克隆鉴定和功能解析对甘蔗抗黑穗病育种具有深远意义，不仅提供了基因资源，而且明晰了作用机制。

12-氧代植物二烯酸还原酶（12-oxo-phytodienoic acid reductase, OPR） 是一种氧化还原酶，能催化12-氧代植物二烯酸（12-OPDA）转化为茉莉酸（JA）。中国热科院生物所阙友雄/吴期滨团队课题组从甘蔗栽培品种ROC22中鉴定了一个甘蔗ScOPR1基因（GenBank登录号：MG755745），发现该基因的表达受植物激素信号分子茉莉酸甲酯（MeJA）、水杨酸（SA）和脱落酸（ABA）的诱导，且在不同抗感黑穗病甘蔗品种及其与黑穗病菌的互作过程中积极应答该病原菌的侵染。然而，甘蔗ScOPR1基因是怎样在植物抗病过程中发挥作用的？其调控通路如何？急需进一步解析。

近日，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室阙友雄和吴期滨团队联合福建农林大学阙友雄和苏亚春团队在植物科学领域国际一流学术期刊Plant Cell Reports（JCR一区，IF=6.2）在线发表了题为“Sugarcane ScOPR1 gene enhances plant disease resistance through the modulation of hormonal signaling pathways”的研究论文，揭示了甘蔗ScOPR1通过免疫信号通路正调控植物抗病性。

该研究在阐明甘蔗ScOPR1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ScOPR1基因的植株可能通过影响SA、JA、超敏反应 （HR）和活性氧（ROS）等多个信号通路，增强对病原菌的抗性。然后，通过稳定遗传转化及RNA-seq等方法，深入验证了该基因在植物应答病原菌侵染中的作用，并构建了由其介导的植物免疫反应模型。研究在一定程度上解析了ScOPR1的分子机制，并提供了令人信服的证据，支持其积极参与增强植物的抗病性。

图1 甘蔗ScOPR1基因的序列特征和表达模式

研究发现，接种病原菌后，瞬时过表达ScOPR1的转基因植株叶片的3,3-二氨基联苯胺（DAB）染色较深，ROS积累较高，HR和SA通路相关基因的表达增高。稳定过表达ScOPR1的转基因植株，能通过增加JA、SA和谷胱甘肽S-转移酶（GST）的积累，以及上调HR、JA、SA和ROS信号通路相关基因的表达，从而增强转基因植株对病原菌的抗性（图2）。

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ScOPR1基因介导的免疫反应调控网络，在接种病原菌后，ScOPR1-OE 中特异性差异表达基因（DEGs）在植物激素信号转导、MAPK级联信号和植物-病原体相互作用等代谢通路中显著富集，推测正是这些基因的表达正向响应了病原菌的胁迫（图3）。

图3 过表达ScOPR1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ScOPR1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ScOPR1基因在植物响应生物胁迫中的作用，并为后续解析ScOPR1基因的抗病功能奠定了基础。

图4 甘蔗ScOPR1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/福建农林大学农学院已毕业硕士研究生邹文会和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、农业农村部甘蔗生物学与遗传育种重点实验室/福建农林大学国家甘蔗工程技术研究中心/农学院苏亚春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室/福建农林大学甘蔗综合研究所所长/农业农村部甘蔗生物学与遗传育种重点实验室主任/国家甘蔗工程技术研究中心副主任阙友雄研究员为该论文的共同通讯作者。福建农林大学生命科学学院尤垂淮实验师、农学院在读博士研究生王东姣和臧守建，在读硕士研究生陈瑶和林佩霞参与了本研究工作。该研究获得了热带作物生物育种全国重点实验室科研专项、中央引导地方科技发展专项、国家重点研发计划、国家糖料产业技术体系、福建省自然科学基金和福建农林大学科技创新专项基金的资助。

https://doi.org/10.1007/s00299-024-03241-8