作者：杨召恩、张一豪
棉花是重要的经济作物，为纺织工业和食品工业提供重要的原料。棉花包含四大栽培种，分别为草棉、亚洲棉、陆地棉和海岛棉，其中陆地棉（Gossypium hirsutum）是目前全球种植最为广泛的棉种，其产量占全球总产量的90%以上，是亿万棉农主要的经济来源之一。黄萎病是由大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）引起的土传真菌病害，是陆地棉的主要病害之一，它造成了纤维品质和产量的“双下降”。由于大丽轮枝菌能够在土壤中长期存活，加上其可通过自身变异来攻克棉花的免疫系统，导致棉花黄萎病防治十分困难。挖掘棉花种质资源中的抗黄萎病基因，解析其抗病机制，对于提高棉花抗性、稳定棉花生产具有重要意义[1]。植物在与病原菌的“军备竞赛”中进化出复杂的免疫系统，其中NLR（Nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat protein）类抗病蛋白介导的免疫反应是植株特异性抗病的基础，是实现广谱抗性的有效手段[2]，然而在棉花和大丽轮枝菌的侵染防御模型中，缺乏NLR类抗病功能蛋白的鉴定和机制研究。通过群体遗传学手段挖掘此类抗病基因，是在陆地棉中实现黄萎病广谱抗性的最有效途径[3]。
基因组片段渐渗（Genomic Introgression）是实现不同基因库间的大规模基因流动的重要手段之一。在人工驯化和改良的作用下作物栽培种的遗传多样性急剧降低，通过种间渐渗引入外源基因是拓展作物遗传多样性的有效手段，在玉米、水稻、小麦、大豆中均有应用[4]。在棉花中三元杂交（陆地棉×亚洲棉×瑟伯氏棉）以及陆地棉与海岛棉的杂交广泛应用于棉花品种改良，然而对渐渗片段上的关键基因缺乏系统研究 [5]。近日，中国农业科学院棉花研究所李付广研究员团队利用419份陆地棉核心种质群体，通过全基因组关联分析结合分子生物学和转基因的手段，揭示了外源渐渗引入的携带双重TIR结构域NLR蛋白的抗病分子机制。
该研究通过全基因组关联分析解析了陆地棉核心种质的黄萎病抗性的遗传基础，共鉴定到的10个与黄萎病抗性显著相关的QTL位点，其中A10染色体上的SHZDI1信号最为显著（图1）。利用SHZDI1位点的两种基因型将核心种质群体分为抗感两个亚群，两个亚群体在信号区间内的染色体显著分化，推测其可能是由外源渐渗引起的。分析发现SHZDI1位点是由亚洲棉渐渗引入陆地棉，携带此片段的少数陆地棉材料显著增强了对黄萎病的耐受性。
图1 SHZDI1/SHZDP2/AYDP1位点的渐渗分析
（a）抗感亚群之间A10染色的FST分析。（b）SHZDI1/SHZDP2/AYDP1位点在亚洲棉和陆地棉中基于SNP的单体型分析。（c）亚洲棉和陆地棉不同单体型材料之间的病情指数分析。（d）基于SNP的系统进化树表明Hap. B型陆地棉与亚洲棉聚为一枝。
研究发现该片段包含42个典型或截短的TIR-NLR（Toll/interleukin 1-NLR）蛋白编码基因，其中一个TIR-NLR编码基因，GhRVD1，受到大丽轮枝菌的显著诱导，沉默该基因显著降低陆地棉的黄萎病抗性，过表达则增加陆地棉的抗病性，证实GhRVD1是该区域内抗病的关键基因之一（图2）。GhRVD1的亚洲棉和陆地棉基因型之间存在大量SNP位点，其中氮端319位和326位氨基酸的非同义突变削弱了GhRVD1在陆地棉中的ETI信号传导强度（图2），进一步影响了其介导的黄萎病抗性。
图2 GhRVD1介导的黄萎病抗性和免疫信号传导
（a）GhRVD1_R和GhRVD1_S过表达棉花的表型。（b）GhRVD1_R和GhRVD1_S过表达棉花株系的黄萎病抗性鉴定。（c-d）GhRVD1氮端TIR1-TIR2中第319和326位非同义SNP位点导致了两种单体型间HR强度的差异。
值得注意的是，GhRVD1在其氮端存在串联的双重TIR结构域，与单一TIR结构域的TNL不同，GhRVD1中的TIR1和TIR2均不能单独引起细胞死亡，必须在TIR1和TIR2同时存在的情况下才能引起细胞死亡。进一步研究表明TIR1-TIR2依赖αD和αE螺旋结合界面（DE界面）的物理互作形成反向平行的二聚体。研究还发现GhTIRP1作为植物体内平衡营养生长和免疫反应的一个重要开关，其在正常生长条件下竞争性与GhRVD1结合，抑制二聚体的形成，进而阻断GhRVD1介导的免疫反应，保持棉花正常生长；而在大丽轮枝菌侵染条件下，其通过下调表达解除对GhRVD1占位，促进二聚体的形成，进而激活下游免疫反应，抵御病原菌入侵。本研究揭示了TIRP1-GhRVD1模块调控棉花抗黄萎病的新机制，为棉花的生物育种提供了重要的靶点，对于利用外源渐渗片段改良作物的病原菌抗性具有指导意义。
图3 GhTIRP1调控GhRVD1的自关联、自激活以及黄萎病抗性的模式图
参考文献：
1. Yang Z, Gao C, Zhang Y, Yan Q, Hu W, Yang L, Wang Z, Li F: Recent progression and future perspectives in cotton genomic breeding. J Integr Plant Biol 2023, 65:548-569.
2. Le Roux C, Huet G, Jauneau A, Camborde L, Tremousaygue D, Kraut A, Zhou B, Levaillant M, Adachi H, Yoshioka H, et al: A receptor pair with an integrated decoy converts pathogen disabling of transcription factors to immunity.Cell 2015, 161:1074-1088.
3. Shaban M, Miao Y, Ullah A, Khan AQ, Menghwar H, Khan AH, Ahmed MM, Tabassum MA, Zhu L: Physiological and molecular mechanism of defense in cotton against Verticillium dahliae. Plant Physiology and Biochemistry 2018, 125:193-204.
4. Wang X, Chen L, Ma J: Genomic introgression through interspecific hybridization counteracts genetic bottleneck during soybean domestication. Genome Biol 2019, 20:22.
5. Romano G, Sacks E, Stetina S, Robinson A, Fang D, Gutierrez O, Scheffler J: Identification and genomic location of a reniform nematode (Rotylenchulus reniformis) resistance locus (Ren ari) introgressed from Gossypium aridum into upland cotton (G. hirsutum).Theor Appl Genet 2009, 120:139-150.
上述研究成果已于近日在Genome Biology在线发表，题目为“Genome-wide association analysis reveals a novel pathway mediated by a dual-TIR domain protein for pathogen resistance in cotton”。中国农业科学院棉花研究所杨召恩研究员和李付广研究员为通讯作者，张一豪博士为第一作者，硕士研究生张亚宁为共同第一作者。
中国农业科学院棉花分子遗传改良创新团队是首批就进入中国农业科学院农业科技创新工程的创新团队，团队固定人员15人，研究生50余人。团队围绕棉花基因组进化、棉花重要性状优异位点挖掘与调控网络解析、高效遗传转化体系改良等重点任务开展研究，成果发表在Nature Genetics、 Nature Biotechnology、Nature Communications、Genome Biology、the Plant Cell和Journal of Integrative Plant Biology等杂志上。
转自：“BMC科研永不止步”微信公众号
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