中国热科院在甘蔗OPR基因家族及其成员正调控植物对病原菌的防御方面取得新进展

　　近日，中国热科院热带生物技术研究所甘蔗逆境生物学、甘蔗分子育种研究团队联合福建农林大学甘蔗逆境与分子育种研究团队在甘蔗12-氧-植物二烯酸还原酶（12-oxo-phytodienoic acid reductase, OPR）基因家族及其成员（ScOPR2）正调控植物对病原菌的防御方面取得新进展。该研究揭示了OPR基因家族的遗传进化及其成员（ScOPR2）在植物防御生物胁迫中的功能，为后续深入解析ScOPR2的抗病调控机制及其在甘蔗抗病生物育种上的利用奠定了基础。

 

　　12-氧-植物二烯酸还原酶（OPR）是十八烷碳烯酸代谢途径中的一个关键酶，控制茉莉酸（jasmonic acid, JA）生物合成的最后步骤，在植物生长发育与逆境应答反应中发挥重要作用。课题组前期基于甘蔗转录组数据筛选到一个积极响应脱落酸（ABA）、茉莉酸甲酯（MeJA）、水杨酸（SA）和黑穗病菌（Sporisorium scitamineum）胁迫的ScOPR1基因。进一步的研究发现，ScOPR1通过增加JA、SA和谷胱甘肽S-转移酶（GST）的积累以及上调信号通路相关基因的表达来增强植物抗病性。但是，OPR作为一个多基因家族，其基因家族构成、不同成员间的遗传进化关系、成员间的抗病调控功能及作用机制之间存在的差异仍需进一步阐明。因此，系统鉴定与分析甘蔗OPR基因家族及其成员的抗病功能，对甘蔗抗病分子育种具有重要的理论与实践意义。

 

　　研究从甘蔗野生种割手密（AP85-441）、热带种（LA-purple）和栽培种（R570）的基因组入手，共鉴定出129个甘蔗OPR基因，并对其进行了序列特征、遗传进化关系和基因功能分化等一系列分析。通过启动子和转录组分析探究甘蔗OPR成员间的不同生物学功能及其在响应黑穗病菌侵染下的表达模式，发现ScOPR2基因定位于细胞质和细胞膜，并在不同甘蔗组织中特异性表达且积极响应SA、MeJA和黑穗病菌胁迫。研究还进一步发现了ScOPR2的稳定过表达能提高转基因植物对病原菌的防御能力，结合烟草免疫基因检测、抗病生理指标检测及RNA-seq（转录组测序技术）等分析，发现ScOPR2的抗病增强效应可能是通过激活病原相关分子模式—模式识别受体（PAMP/PRR）触发的免疫产生活性氧（ROS）并启动丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联反应，随后触发水杨酸和免疫信号的传递，促进防御相关基因和物质的积累的调控网络实现。除此之外，研究还构建了甘蔗ScOPR2介导的抗病调控机制模型。以上的发现为深入解析ScOPR2基因的抗病机理提供了新的思路，并为OPR基因在甘蔗抗病生物育种上的利用奠定了良好的理论基础。

 

　　该研究成果以“Molecular insights into OPR gene family in Saccharum identified a ScOPR2 gene could enhance plant disease resistance”为题发表于《The Plant Journal》。中国热科院生物所/热带作物生物育种全国重点实验室孙婷婷副研究员为该论文第一作者，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苏亚春副研究员、中国热科院生物所/热带作物生物育种全国重点实验室张树珍研究员，中国热科院生物所/福建农林大学/热带作物生物育种全国重点实验室阙友雄研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到热带作物生物育种全国重点实验室科研项目、中央引导地方科技发展专项、中国热带农业科学院国家热带农业科学中心科技创新团队、福建农林大学国家甘蔗工程研究中心主任科研基金、国家重点研发计划、国家糖料产业技术体系和福建省自然科学基金等项目的联合资助。

 

　　原文链接：http://doi.org/10.1111/tpj.16990