河南大学张骁/蔡应繁团队发现棉花腺体基因调控黄萎病抗性新机制

棉花（Gossypium spp.）是集纤维、种子蛋白和油脂于一体的重要经济作物，其纤维是纺织工业重要原料。然而，棉花黄萎病，被称为棉花的“癌症”严重阻碍棉花产业的可持续发展。至今主要栽培种陆地棉缺乏黄萎病抗源和抗病品种，棉花抗黄萎病分子机制仍然不清晰。

植物腺毛（腺体）在抗病虫方面具有重要作用。棉花色素腺体（Pigment gland）是棉属及其近缘植物特有的结构，通常以深色不透明的点状分布于棉花大多数组织器官上，其内含物包括棉酚（Gossypol）等次级代谢物在棉花病虫害抗性中发挥重要作用。然而，棉花腺体形成基因（Cotton Gland Formation，CGF）对黄萎病抗性的功能及调控机制尚不清楚。因此，探明腺体形成基因在棉花黄萎病抗性中的功能及调控机制，为棉花抗黄萎病育种提供理论基础和新的思路。

近日，河南大学张骁/蔡应繁团队在国际著名学术期刊NewPhytologist在线发表了题为Cotton gland formation genesGbCGF2/3positively regulate Verticillium wilt resistance through modulating suberin biosynthesis论文，揭示了棉花腺体形成基因GbCGF2/3通过调控木栓质合成增强黄萎病抗性的新机制。

该研究发现，棉花有腺体近等基因系(CCRI12/CSSL1)黄萎病抗性显著高于无腺体棉。通过病毒诱导基因沉默（VIGS）和CRISPR/Cas9基因编辑技术分别敲低及敲除海岛棉腺体形成基因GbCGF2（控制腺体密度）和GbCGF3（控制全株腺体形成）显著降低了棉花对黄萎病的抗性，同时棉花植株腺体数量显著减少或者消失、棉酚含量显著降低，但沉默控制茎秆和叶柄腺体形成基因GbGRAS1后棉花黄萎病抗性没有显著变化。进一步通过转录组分析发现，敲低棉花腺体形成基因GbCGF2/3显著降低了棉花根细胞的细胞壁组份木栓质合成酶脂肪酸乙酰辅酶A还原酶基因GbFAR3.1（Fatty acyl-coenzyme A reductase 3.1）的表达。推测棉花腺体形成基因GbCGF2和GbCGF3分别作为bHLH和NAC家族转录因子可能参与调控了木栓质的合成，进而改变细胞壁的厚度来影响棉花对黄萎病入侵的物理防御。随后通过敲低和敲除GbFAR3.1的表达，也显著降低了棉花对黄萎病的抗性。

通过LC-MS分析发现，GbCGF2和GbCGF3基因编辑植株及GbFAR3.1基因沉默植株根部木栓质合成前体长链脂肪酸（C16-C24）的含量显著降低。对棉花根部成熟区细胞的扫描电镜结果显示，棉花根部细胞木栓质层消失，细胞壁厚度变薄。进而通过酵母单杂（Y1H）实验、荧光素酶成像实验（LUC）及凝胶迁移实验（EMSA）验证了GbCGF2和GbCGF3能够分别与GbFAR3.1基因上游启动子区域的E-box（CANNTG）顺式元件结合，并正向调控GbFAR3.1基因的表达。

综上，该研究发现腺体形成基因GbCGF2/3不但能够调控棉花腺体的形成，而且能够通过调节木栓质的形成从而正调控棉花对黄萎病抗性，本研究结果为棉花抗黄萎病育种及种子蛋白和油脂的综合利用提供了新的理论依据与基因资源。

工作模型：棉花腺体形成基因调控木栓质合成增强对大丽轮枝的抗性

河南大学张骁教授、蔡应繁教授为本论文的通讯作者，河南大学博士后易飞飞、硕士研究生邵丽丽、吴霜和程凯副教授为论文共同第一作者。加拿大McGill大学Huanquan Zheng（郑环泉）教授、美国农业部南方平原研究中心Jinggao Liu(柳京高)教授参与并指导了本项研究。本研究由国家重点研发计划、中原学者工作站、国家自然科学基金和河南省重点研发计划的资助支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/nph.70809