甘蔗是全球最重要的糖料作物，生物量巨大且能積累高濃度蔗糖，是世界和我國食糖的主要來源。然而，由黑穗病菌（Sporisorium scitamineum）引發(fā)的黑穗病，因其系統(tǒng)性侵染特性和宿根連作傳播方式，已成為制約甘蔗產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的首要病害。深入解析甘蔗抗黑穗病分子機制并挖掘關鍵抗性基因，是突破傳統(tǒng)育種瓶頸、創(chuàng)制抗病種質、實現甘蔗生物育種的必由之路。WRKY轉錄因子在植物免疫信號網絡中發(fā)揮重要調控作用，是抗病基因工程的重要靶標。迄今，雖然WRKY轉錄因子在多種作物的抗病功能已得到系統(tǒng)解析，但甘蔗WRKY成員在黑穗病抗性中的調控路徑及分子互作網絡仍不清晰，功能機制研究尚處起步階段。因此，研究團隊聚焦ScWRKY2轉錄因子，深入探究了其在甘蔗黑穗病抗性中的作用機制。
研究團隊利用農桿菌介導法將ScWRKY2基因導入甘蔗品種ROC22，獲得15株過表達轉基因植株，通過病原接種試驗發(fā)現，3個轉基因高表達株系（#OE1~#OE3）的株高顯著低于野生型（WT），且病原菌含量均顯著高于WT，感染后轉基因植株的SOD和POD活性也明顯低于WT。研究顯示ScWRKY2過表達降低了甘蔗對黑穗病的抗性，證實該基因在抗病過程中起負調控作用。
研究還通過DAP-seq技術在全基因組范圍篩選ScWRKY2下游靶基因，共鑒定到5347個重疊結合峰，其中12.92%位于啟動子區(qū)域，富集的核心順式元件為典型W-box（TTGACC/T）。這些靶基因主要參與細胞過程、代謝活動、植物-病原互作及光合作用等通路。通過RNA-seq和DAP-seq聯合分析，獲得59個共有基因，其中富亮氨酸重復類受體蛋白激酶基因（ScLRR-RLK）在#OE3中表達顯著下調，且ScWRKY2能結合ScLRR-RLK啟動子區(qū)的W-box元件并抑制其轉錄。同時，瞬時過表達ScLRR-RLK可增強植物抗病性，并上調活性氧（ROS）清除相關基因NbCAT1和NbGST1的表達，明確ScWRKY2可通過抑制ScLRR-RLK表達參與負向調控甘蔗的抗病反應。
為識別ScWRKY2的互作蛋白，研究團隊利用Y2H技術篩選甘蔗-黑穗病菌互作cDNA文庫，獲得88個陽性克隆，包括葉綠體相關蛋白ScPsbP。團隊通過HDOCK分子對接分析預測ScWRKY2與ScPsbP具有較強的結合能力，并通過實驗進一步驗證了二者的相互作用。在煙草中共表達ScWRKY2與ScPsbP并接種病原菌后，植株病害癥狀加重，H?O?積累顯著增強，ROS清除相關基因NbCAT1和NbGST1表達下調。結果表明，ScWRKY2可與ScPsbP形成復合物，共同參與ROS穩(wěn)態(tài)調控，進而負向影響植物抗病能力。
本研究系統(tǒng)闡明了ScWRKY2在甘蔗響應黑穗病脅迫中的分子機制，病菌侵染時，ScWRKY2結合免疫相關基因ScLRR-RLK啟動子W-box元件并抑制其轉錄；同時，ScWRKY2與葉綠體蛋白ScPsbP發(fā)生互作，誘導ROS清除相關基因的表達，維持細胞內ROS穩(wěn)態(tài)。該研究為甘蔗抗黑穗病生物育種奠定了重要的理論基礎，并提供了關鍵基因資源。
該研究成果以“ScWRKY2: a key regulator for smut resistance in sugarcane”為題發(fā)表于《Plant Biotechnology Journal》。中國熱科院生物所王東姣助理研究員為該論文的第一作者。中國熱科院甘蔗研究中心主任/熱帶作物生物育種全國重點實驗室/中國熱科院生物所/三亞研究院闕友雄研究員、吳期濱副研究員和福建農林大學/農業(yè)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為共同通訊作者。本研究得到了中國熱帶農業(yè)科學院國家熱帶農業(yè)科學中心科技創(chuàng)新團隊、廣西科技重大專項、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(fā)展專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金以及中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費等項目的聯合資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.70186
