棉花（Gossypium spp.）是集纖維、種子蛋白和油脂于一體的重要經(jīng)濟作物，其纖維是紡織工業(yè)重要原料。然而，棉花黃萎病，被稱為棉花的“癌癥”嚴重阻礙棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。至今主要栽培種陸地棉缺乏黃萎病抗源和抗病品種，棉花抗黃萎病分子機制仍然不清晰。

植物腺毛（腺體）在抗病蟲方面具有重要作用。棉花色素腺體（Pigment gland）是棉屬及其近緣植物特有的結(jié)構(gòu)，通常以深色不透明的點狀分布于棉花大多數(shù)組織器官上，其內(nèi)含物包括棉酚（Gossypol）等次級代謝物在棉花病蟲害抗性中發(fā)揮重要作用。然而，棉花腺體形成基因（Cotton Gland Formation，CGF）對黃萎病抗性的功能及調(diào)控機制尚不清楚。因此，探明腺體形成基因在棉花黃萎病抗性中的功能及調(diào)控機制，為棉花抗黃萎病育種提供理論基礎(chǔ)和新的思路。

近日，河南大學(xué)張驍/蔡應(yīng)繁團隊在國際著名學(xué)術(shù)期刊NewPhytologist在線發(fā)表了題為Cotton gland formation genesGbCGF2/3positively regulate Verticillium wilt resistance through modulating suberin biosynthesis論文，揭示了棉花腺體形成基因GbCGF2/3通過調(diào)控木栓質(zhì)合成增強黃萎病抗性的新機制。

該研究發(fā)現(xiàn)，棉花有腺體近等基因系(CCRI12/CSSL1)黃萎病抗性顯著高于無腺體棉。通過病毒誘導(dǎo)基因沉默（VIGS）和CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)分別敲低及敲除海島棉腺體形成基因GbCGF2（控制腺體密度）和GbCGF3（控制全株腺體形成）顯著降低了棉花對黃萎病的抗性，同時棉花植株腺體數(shù)量顯著減少或者消失、棉酚含量顯著降低，但沉默控制莖稈和葉柄腺體形成基因GbGRAS1后棉花黃萎病抗性沒有顯著變化。進一步通過轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，敲低棉花腺體形成基因GbCGF2/3顯著降低了棉花根細胞的細胞壁組份木栓質(zhì)合成酶脂肪酸乙酰輔酶A還原酶基因GbFAR3.1（Fatty acyl-coenzyme A reductase 3.1）的表達。推測棉花腺體形成基因GbCGF2和GbCGF3分別作為bHLH和NAC家族轉(zhuǎn)錄因子可能參與調(diào)控了木栓質(zhì)的合成，進而改變細胞壁的厚度來影響棉花對黃萎病入侵的物理防御。隨后通過敲低和敲除GbFAR3.1的表達，也顯著降低了棉花對黃萎病的抗性。

通過LC-MS分析發(fā)現(xiàn)，GbCGF2和GbCGF3基因編輯植株及GbFAR3.1基因沉默植株根部木栓質(zhì)合成前體長鏈脂肪酸（C16-C24）的含量顯著降低。對棉花根部成熟區(qū)細胞的掃描電鏡結(jié)果顯示，棉花根部細胞木栓質(zhì)層消失，細胞壁厚度變薄。進而通過酵母單雜（Y1H）實驗、熒光素酶成像實驗（LUC）及凝膠遷移實驗（EMSA）驗證了GbCGF2和GbCGF3能夠分別與GbFAR3.1基因上游啟動子區(qū)域的E-box（CANNTG）順式元件結(jié)合，并正向調(diào)控GbFAR3.1基因的表達。

綜上，該研究發(fā)現(xiàn)腺體形成基因GbCGF2/3不但能夠調(diào)控棉花腺體的形成，而且能夠通過調(diào)節(jié)木栓質(zhì)的形成從而正調(diào)控棉花對黃萎病抗性，本研究結(jié)果為棉花抗黃萎病育種及種子蛋白和油脂的綜合利用提供了新的理論依據(jù)與基因資源。

工作模型：棉花腺體形成基因調(diào)控木栓質(zhì)合成增強對大麗輪枝的抗性

河南大學(xué)張驍教授、蔡應(yīng)繁教授為本論文的通訊作者，河南大學(xué)博士后易飛飛、碩士研究生邵麗麗、吳霜和程凱副教授為論文共同第一作者。加拿大McGill大學(xué)Huanquan Zheng（鄭環(huán)泉）教授、美國農(nóng)業(yè)部南方平原研究中心Jinggao Liu(柳京高)教授參與并指導(dǎo)了本項研究。本研究由國家重點研發(fā)計劃、中原學(xué)者工作站、國家自然科學(xué)基金和河南省重點研發(fā)計劃的資助支持。

論文鏈接：

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