近日，中國熱科院熱帶生物技術研究所甘蔗逆境生物學、甘蔗分子育種研究團隊聯合福建農林大學甘蔗逆境與分子育種研究團隊在甘蔗12-氧-植物二烯酸還原酶（12-oxo-phytodienoic acid reductase, OPR）基因家族及其成員（ScOPR2）正調控植物對病原菌的防御方面取得新進展。該研究揭示了OPR基因家族的遺傳進化及其成員（ScOPR2）在植物防御生物脅迫中的功能，為后續深入解析ScOPR2的抗病調控機制及其在甘蔗抗病生物育種上的利用奠定了基礎。
12-氧-植物二烯酸還原酶（OPR）是十八烷碳烯酸代謝途徑中的一個關鍵酶，控制茉莉酸（jasmonic acid, JA）生物合成的最后步驟，在植物生長發育與逆境應答反應中發揮重要作用。課題組前期基于甘蔗轉錄組數據篩選到一個積極響應脫落酸（ABA）、茉莉酸甲酯（MeJA）、水楊酸（SA）和黑穗病菌（Sporisorium scitamineum）脅迫的ScOPR1基因。進一步的研究發現，ScOPR1通過增加JA、SA和谷胱甘肽S-轉移酶（GST）的積累以及上調信號通路相關基因的表達來增強植物抗病性。但是，OPR作為一個多基因家族，其基因家族構成、不同成員間的遺傳進化關系、成員間的抗病調控功能及作用機制之間存在的差異仍需進一步闡明。因此，系統鑒定與分析甘蔗OPR基因家族及其成員的抗病功能，對甘蔗抗病分子育種具有重要的理論與實踐意義。
研究從甘蔗野生種割手密（AP85-441）、熱帶種（LA-purple）和栽培種（R570）的基因組入手，共鑒定出129個甘蔗OPR基因，并對其進行了序列特征、遺傳進化關系和基因功能分化等一系列分析。通過啟動子和轉錄組分析探究甘蔗OPR成員間的不同生物學功能及其在響應黑穗病菌侵染下的表達模式，發現ScOPR2基因定位于細胞質和細胞膜，并在不同甘蔗組織中特異性表達且積極響應SA、MeJA和黑穗病菌脅迫。研究還進一步發現了ScOPR2的穩定過表達能提高轉基因植物對病原菌的防御能力，結合煙草免疫基因檢測、抗病生理指標檢測及RNA-seq（轉錄組測序技術）等分析，發現ScOPR2的抗病增強效應可能是通過激活病原相關分子模式—模式識別受體（PAMP/PRR）觸發的免疫產生活性氧（ROS）并啟動絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）級聯反應，隨后觸發水楊酸和免疫信號的傳遞，促進防御相關基因和物質的積累的調控網絡實現。除此之外，研究還構建了甘蔗ScOPR2介導的抗病調控機制模型。以上的發現為深入解析ScOPR2基因的抗病機理提供了新的思路，并為OPR基因在甘蔗抗病生物育種上的利用奠定了良好的理論基礎。
該研究成果以“Molecular insights into OPR gene family in Saccharum identified a ScOPR2 gene could enhance plant disease resistance”為題發表于《The Plant Journal》。中國熱科院生物所/熱帶作物生物育種全國重點實驗室孫婷婷副研究員為該論文第一作者，福建農林大學/農業農村部甘蔗生物學與遺傳育種重點實驗室蘇亞春副研究員、中國熱科院生物所/熱帶作物生物育種全國重點實驗室張樹珍研究員，中國熱科院生物所/福建農林大學/熱帶作物生物育種全國重點實驗室闕友雄研究員為該論文的共同通訊作者。該研究得到熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研項目、中央引導地方科技發展專項、中國熱帶農業科學院國家熱帶農業科學中心科技創新團隊、福建農林大學國家甘蔗工程研究中心主任科研基金、國家重點研發計劃、國家糖料產業技術體系和福建省自然科學基金等項目的聯合資助。
原文鏈接：http://doi.org/10.1111/tpj.16990
日期：2024-09-09
12-氧-植物二烯酸還原酶（OPR）是十八烷碳烯酸代謝途徑中的一個關鍵酶，控制茉莉酸（jasmonic acid, JA）生物合成的最后步驟，在植物生長發育與逆境應答反應中發揮重要作用。課題組前期基于甘蔗轉錄組數據篩選到一個積極響應脫落酸（ABA）、茉莉酸甲酯（MeJA）、水楊酸（SA）和黑穗病菌（Sporisorium scitamineum）脅迫的ScOPR1基因。進一步的研究發現，ScOPR1通過增加JA、SA和谷胱甘肽S-轉移酶（GST）的積累以及上調信號通路相關基因的表達來增強植物抗病性。但是，OPR作為一個多基因家族，其基因家族構成、不同成員間的遺傳進化關系、成員間的抗病調控功能及作用機制之間存在的差異仍需進一步闡明。因此，系統鑒定與分析甘蔗OPR基因家族及其成員的抗病功能，對甘蔗抗病分子育種具有重要的理論與實踐意義。
研究從甘蔗野生種割手密（AP85-441）、熱帶種（LA-purple）和栽培種（R570）的基因組入手，共鑒定出129個甘蔗OPR基因，并對其進行了序列特征、遺傳進化關系和基因功能分化等一系列分析。通過啟動子和轉錄組分析探究甘蔗OPR成員間的不同生物學功能及其在響應黑穗病菌侵染下的表達模式，發現ScOPR2基因定位于細胞質和細胞膜，并在不同甘蔗組織中特異性表達且積極響應SA、MeJA和黑穗病菌脅迫。研究還進一步發現了ScOPR2的穩定過表達能提高轉基因植物對病原菌的防御能力，結合煙草免疫基因檢測、抗病生理指標檢測及RNA-seq（轉錄組測序技術）等分析，發現ScOPR2的抗病增強效應可能是通過激活病原相關分子模式—模式識別受體（PAMP/PRR）觸發的免疫產生活性氧（ROS）并啟動絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）級聯反應，隨后觸發水楊酸和免疫信號的傳遞，促進防御相關基因和物質的積累的調控網絡實現。除此之外，研究還構建了甘蔗ScOPR2介導的抗病調控機制模型。以上的發現為深入解析ScOPR2基因的抗病機理提供了新的思路，并為OPR基因在甘蔗抗病生物育種上的利用奠定了良好的理論基礎。
該研究成果以“Molecular insights into OPR gene family in Saccharum identified a ScOPR2 gene could enhance plant disease resistance”為題發表于《The Plant Journal》。中國熱科院生物所/熱帶作物生物育種全國重點實驗室孫婷婷副研究員為該論文第一作者，福建農林大學/農業農村部甘蔗生物學與遺傳育種重點實驗室蘇亞春副研究員、中國熱科院生物所/熱帶作物生物育種全國重點實驗室張樹珍研究員，中國熱科院生物所/福建農林大學/熱帶作物生物育種全國重點實驗室闕友雄研究員為該論文的共同通訊作者。該研究得到熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研項目、中央引導地方科技發展專項、中國熱帶農業科學院國家熱帶農業科學中心科技創新團隊、福建農林大學國家甘蔗工程研究中心主任科研基金、國家重點研發計劃、國家糖料產業技術體系和福建省自然科學基金等項目的聯合資助。
原文鏈接：http://doi.org/10.1111/tpj.16990
日期：2024-09-09
