TPJ | 南京农业大学棉花遗传与种质创新团队在棉花应对黄萎病菌NLP1毒素的关键蛋白发掘与机理解析研究取得新进展

植物病原菌通过分泌毒素分子破坏宿主细胞，以利于自身侵染及繁殖。很多细菌、真菌和卵菌在侵染植物过程中都会分泌一种引发细胞凋亡的蛋白类毒素--坏死和乙烯诱导型蛋白NLP1，其特异性靶向双子叶植物细胞膜外叶的鞘脂糖基肌醇磷酸神经酰胺（GIPC），在膜上产生暂时的小孔，导致植物细胞溶解。植物中一个具有LRR结构域的蛋白能促进NLP1寡聚化，有助于NLP1的毒力作用。现有的研究报道均集中在NLP1如何引发植物细胞坏死，而植物如何应对NLP1的毒力作用，进而提高抗病性的相关研究未见报道。

棉花黄萎病是由大丽轮枝菌引起的维管束病害，严重影响棉花产量和品质。近日，南京农业大学棉花遗传与种质创新团队在植物学领域知名学术期刊《The Plant Journal》在线发表了题为“Cotton peroxisome-localized lysophospholipase counteracts the toxic effects of Verticillium dahliae NLP1 and confers wilt resistance”研究论文。该研究鉴定到棉花中一个过氧化物酶体定位的溶血磷脂酶GhLPL2，抑制黄萎病菌毒素蛋白VdNLP1的毒力作用。过量表达GhLPL2显著提高棉花抗病性。抵抗NLP1毒性作用的抗性蛋白发掘与功能鉴定在植物中是首次报道。

溶血磷脂酶（lysophospholipase）是细胞膜磷脂代谢过程中的关键酶，也是应对逆境胁迫的重要参与者。其底物溶血磷脂在外界的刺激下能迅速做出反应，以信号分子的形式参与调节植物各种生命活动。在本研究中，作者首次报道了棉花中一个序列和功能保守的溶血磷脂酶基因GhLPL2，其编码蛋白定位在过氧化物酶体和细胞膜，黄萎病菌侵染时该蛋白与VdNLP1在细胞膜互作，保护植物细胞膜并激活系统性免疫反应。研究发现在表达GhLPL2蛋白的棉花或烟草叶片中，VdNLP1所引起的细胞坏死表型明显被削弱。与对照植株相比，过量表达GhLPL2的棉花和拟南芥植株黄萎病抗性显著提高，免疫相关基因在病菌诱导后被更强烈激活。此外，作者还证明GhLPL2是影响棉花生长发育的一个关键基因。GhLPL2基因编辑棉花植株表现为生长矮小，生殖生长被严重抑制，无法产生后代。结合VIGS基因沉默实验、转录组和脂质组分析、以及生理生化检测，明确GhLPL2表达水平下降引起溶血磷脂酰肌醇（LPI）积累，进而导致糖代谢水平降低，这不仅使植株生长受到抑制，同时因碳源的缺乏也阻碍或限制了病菌的定殖和繁殖。

该项研究结果揭示了GhLPL2基因参与调控棉花黄萎病抗性的功能机理。GhLPL2对于稳定细胞膜LPI的水平及抑制黄萎病菌毒素蛋白VdNLP1的毒力作用均很重要。然而正常棉花体内GhLPL2的含量不足以维持这两方面的需求。过量表达GhLPL2的转基因植株提供了足够的蛋白含量，用于抵抗VdNLP1，同时维持体内LPI水平，在确保植株正常生长发育的前提下，赋予植株更强的抗病能力。

图1：在正常条件或病原菌感染条件下，溶血磷脂酶GhLPL2调节棉花抗病性及生长发育的分子机制

目前已知黄萎病菌可侵染约38科660余种植物，以锦葵科、茄科、十字花科和豆科等双子叶植物为主。本研究进一步发现源于烟草、番茄、辣椒的LPL2也与VdNLP1互作，为通过基因工程提高其他作物的黄萎病抗性提供了基因资源和新思路。

南京农业大学钟山青年研究员王桂林博士为论文第一作者，农学院郭旺珍教授和生命科学学院王心宇教授为论文共同通讯作者。团队王海棠博士在转基因材料创制方面做了大量工作。已毕业的博士研究生宋健参与了酵母筛选体系建立和互作蛋白筛选研究。青年研究员李维希博士，在读研究生阮潮峰、张文姝、郭展等参与了部分工作。该研究得到国家自然科学基金，江苏省重点研发计划，江苏省卓越博士后培养计划和江苏现代作物生产协同创新中心等项目资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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