中国热科院/福建农大阙友雄/苏亚春团队揭示甘蔗PITP基因的抗病新功能

近日，中国热科院生物所/福建农林大学阙友雄/苏亚春团队在农林领域国际权威期刊Industrial Crops and Products（中科院一区TOP期刊，IF=5.7）在线发表了题为Genome-wide identification of Saccharum Sec14-like PITP gene family reveals that ScSEC14-1 is positively involved in disease resistance的研究论文。该研究在分析甘蔗野生种Sec14-like PITP基因家族及其应答黑穗病菌胁迫的基础上，聚焦栽培种ScSEC14-1基因的抗病功能和调控网络解析，为深入阐明甘蔗Sec14-like PITP基因的功能特性和免疫调控机理提供了理论参考。

甘蔗（Saccharum spp.）是最为重要的糖料和能源作物。培育抗病甘蔗品种是防治鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的黑穗病最为直接有效的途径，而挖掘抗病基因将提供基因资源和理论依据。磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol, PI）是组成细胞膜和细胞器膜的重要成分，其转运蛋白（phosphatidylinositol transfer protein, PITP）可以结合和交换一分子PI或磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine, PC），并在膜表面之间运输这两种脂质分子。植物PITP蛋白对细胞极性生长、结节形成、蛋白运输、以及免疫反应和渗透胁迫的调节至关重要。迄今，植物中已鉴定出一些与酿酒酵母Sec14同源且功能相似的PITP蛋白。阙友雄课题组前期探讨了甘蔗PITP基因的表达特征及其对非生物胁迫的应答（作物学报, 2018, 44(6): 824–835; Plant Cell Reports, 2019, 38: 637–655; Sugar Tech, 2020, 2016: 1–10）。但是，关于甘蔗Sec14-like PITP基因家族的构成及其成员是否参与调控甘蔗免疫以及如何调控尚不清楚。

图1 甘蔗Sec14-like PITP基因家族的鉴定

研究鉴定到51个SsPITP基因，可分为四组（I, III, IV, V）（图1A）。这些SsPITP基因编码蛋白都含有SEC14和CRAL_TRIO_N结构域，且同一分支上的成员具有相似的基序排布。该基因家族的扩增主要通过全基因组/片段复制和分散复制事件，而纯化选择是其进化的主要驱动力（图1B、C）。此外，甘蔗SsPITP基因的启动子区域含有与光、激素和应激反应相关的顺式调控元件，表明它们可能参与生长发育以及对生物和非生物胁迫的反应。有趣的是，SsPITP基因被黑穗病菌诱导差异表达。在甘蔗抗病品种与黑穗病菌互作过程中，SsPITP29基因呈现持续高表达。作者从甘蔗杂交种中同源克隆获得ScSEC14-1基因。瞬时表达显示ScSEC14-1蛋白定位于细胞膜和细胞核。异源过表达ScSEC14-1基因能够增强转基因植株对病原菌的抗性，进一步研究发现该基因通过激活磷脂酶C基因的表达，启动磷脂酰肌醇/钙/MAPK/植物激素信号转导通路，增加叶绿素含量和过氧化氢酶活性，降低丙二醛含量，进而增强抗病性。结合表型、生理和分子水平三个维度，研究构建了ScSEC14-1基因介导的免疫反应调控模型（图2）。综上，该研究系统鉴定了甘蔗Sec14-like PITP基因家族，并揭示了ScSEC14-1基因正调控植物免疫反应的作用网络，为甘蔗抗病分子育种奠定了基础。

图2 甘蔗ScSEC14-1基因介导的免疫反应调控模型

福建农林大学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/甘蔗综合研究所/农学院苏亚春副研究员为该论文第一作者；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/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/福建农林大学甘蔗综合研究所所长阙友雄研究员为该论文的通讯作者；福建农林大学尤垂淮博士、罗俊副研究员，研究生冯景芳、臧守建、王薇、王东姣、毛花英、陈瑶，中国热带农业科学院孙婷婷副研究员参与研究。该研究获得中央引导地方科技发展专项、国家甘蔗工程技术研究中心主任基金、福建农林大学海峡联合研究院访学研修专项、广西甘蔗遗传改良重点实验室开放课题和国家糖料产业技术体系等项目的联合资助。

https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.119434