Advanced Science [2023 IF14.3 ]南京農業大學研究團隊使用植物原生質體制備及轉化試劑盒（目錄號：RTU4072）發表文章
滲透素(su)被歸類為第(di)5組致(zhi)病相關蛋白。然而，其(qi)在植物(wu)抗病性中涉及的分(fen)子機(ji)制仍大部(bu)分(fen)未(wei)知(zhi)。
2024年10月16日，南京農業大學郭旺珍及王心宇共同通訊在Advanced Science 在線發表題為“Natural SNP Variation in GbOSM1 Promotor Enhances Verticillium Wilt Resistance in Cotton”的研究論文。王桂林為論文第一作者。
該研究在海島棉(Gb)中鑒定出一種抗黃萎病(VW)相關的滲透素基因GbOSM1。GbOSM1優先在抗病海島棉(G. barbadense acc. Hai7124) 的根部表達，并受到大麗黃萎病(Vd)的高度誘導。沉默GbOSM1可降低Hai7124的VW抗性，而在易感疾病的海島棉中過量表達GbOSM1可提高耐受性。GbOSM1主要(yao)定位在液泡膜中，而在受(shou)到(dao)滲透脅(xie)迫或Vd感染時，它會轉(zhuan)移到(dao)質(zhi)外體。GbOSM1通過水解Vd的(de)細(xi)胞(bao)壁(bi)多糖并(bing)激(ji)活植物免疫途徑來賦予VW抗(kang)性。自然變異導(dao)致棉花品種OSM1啟(qi)動(dong)子(zi)中CCAAT/CCGAT元件(jian)的(de)差異。所有G.hirsutum(Gh)都(dou)表(biao)(biao)現(xian)出CCAAT單(dan)倍型，而G.barbadense中有兩種CCAAT/CCGAT單(dan)倍型，CCGAT單(dan)倍型表(biao)(biao)達量更高，抗(kang)VW性更強。NFYA5轉(zhuan)錄因子(zi)與(yu)GhOSM1啟(qi)動(dong)子(zi)的(de)CCAAT元件(jian)結(jie)合并(bing)抑(yi)制其轉(zhuan)錄。沉默GhNFYA5可提高GhOSM1的(de)表(biao)(biao)達量并(bing)增(zeng)強抗(kang)VW性。這些結果拓寬了對滲透素功能機制的認識，并為培育抗VW棉花提供了有效的策略。
黃萎病（VW）是由土傳維管束真菌Verticillium dahliae Klep.（Vd）引起的病害。Vd寄主范圍廣，可對棉花、番茄、馬鈴薯等作物造成嚴重危害。Vd以微菌核的形式在土壤中存活很長時間，在適宜的條件下直接侵染植物根部，首先穿透根表皮，定殖于木質部中的維管系統，然后堵塞維管并釋放毒素，導致葉片失綠、枯萎、植株死亡，大大降低作物的產量和品質。由于Vd在土壤中傳播并定殖于維管組織內部，使用化學殺菌劑防治VW效率低且對環境有害，因此最合理的防治方法是挖掘必需的抗性基因和培育抗VW的植物品種。
棉花（Gossypium spp.）是世界上一種重要的天然紡織纖維作物。四倍體陸地棉和海島棉是兩種主要的棉花栽培品種，它們起源于A-二倍體和D-二倍體物種之間的一次雜交事件。大多數海島棉種質對VW具有抗性，而占全球棉花產量約97%的陸地棉卻不具有抗性。棉花對VW的抗性是一種由多個基因座控制的復雜遺傳性狀，易受環境影響。迄今為止，利用標記輔助作圖或全基因組關聯研究已檢測到400多個與VW抗性相關的數量性狀基因座(QTL)，它們廣泛分布在幾乎所有26條四倍體棉花染色體中。然而，只有少數基因被克隆并進行了功能鑒定。
圖位克隆表明，棉花GhLMMD基因編碼區內的無義突變導致5-氨基乙酰丙酸的過度積累，從而提高活性氧和水楊酸的含量，促進免疫反應的激活和棉花對VW的抗性增強。通過解析海島棉和陸地棉基因組的結構變異，發現與VW抗性相關的變異主要位于D亞基因組中，而影響纖維產量性狀的變異則主要位于A亞基因組中。進一步研究表明，位于D11染色體上與病程相關的10/Bet v1蛋白家族基因GhNCS可能是控制棉花VW抗性的一個可能致病基因。然而，由于棉花VW對生產的威脅日益嚴重，而單個基因座對抗VW的影響又有限，分離更多的VW抗性基因，特別是那些既能增強抗性又不對棉花其他農藝性狀產生不利影響的基因顯得尤為重要。
植物進化出了兩大防御系統，即PTI（病原體相關分子模式觸發免疫）和ETI（效應物觸發免疫），以應對病原體的攻擊。PTI系統性地防御病原體的入侵，而ETI通常導致局部程序性細胞死亡。這兩個過程激活了許多相似的下游反應，包括激素積累、活性氧（ROS）的產生和防御相關蛋白的表達。防御相關蛋白分泌到細胞外空間對于建立宿主植物的抗性至關重要。這個過程直接有效地最大限度地控制病原體的入侵。其中，一些由致病相關基因（PR）編碼的蛋白質，如PR1、PR2和PR5，表現出抗菌活性，強烈暗示了它們具有防御作用。PR通常被定義為在健康組織中不存在或僅以極少量存在，但在病原體存在的病理條件下大量積累的蛋白質，它們是區分植物抗病反應啟動的重要生化標記。然而，棉花防御病原體過程中必需的PR及其功能機制仍然是個謎。
PR5是一類富含半胱氨酸的蛋白質，由于其序列與索馬甜蛋白相似，也稱為索馬甜樣蛋白（TLP）。16個保守的半胱氨酸殘基均勻分布在整個PR5中，形成8個二硫鍵，以保障蛋白質的準確折疊和穩定性。這一結構特征還增強了它們抵抗蛋白酶、pH變化和熱誘導變性的能力。已報道的一種PR5蛋白含有244個殘基，缺乏甜味，在病原體感染過程中積累。它也是在煙草細胞滲透脅迫下產生的，因此也稱為滲透素，可增強植物對各種生物或非生物脅迫的耐受性。在根和莖組織中發現了大量滲透素，它們通過引起孢子裂解、降低孢子活力、抑制孢子萌發和菌絲生長而表現出抗真菌活性。分散在一級序列中五個高度保守的氨基酸REDDD可以在3D水平上形成保守的酸性裂解結構域，確保滲透素的抗真菌活性。
多項研究指出，滲透蛋白進入質膜，導致跨膜孔形成和膜破裂，這可能與膜受體的識別有關。OsOSM1編碼水稻中的滲透蛋白，在抗紋枯病水稻品種中受立枯絲核菌強烈誘導，但在易感品種中則不受誘導。OsOSM1的過表達可提高水稻的抗病性。過量生產滲透蛋白的馬鈴薯對致病疫霉菌的抗性增強，體外純化的蛋白質對病原菌更有效。可可樹中的TcOSM1可抑制Moniliophthora perniciosa菌絲體的生長以及植物病原真菌大豆鐮刀菌和棉炭疽菌的孢子萌發。盡管在不同植物的滲透素基因方面取得了這些進展，但滲透素的作用及其在棉花抗VW中的調控機制仍然很大程度上未知。
在之前的報道中，作者研究組利用對Vd分別表現出抗性和易感性的海島棉品種Hai7124和陸地棉品種君棉1，構建了（君棉1×Hai7124）×君棉1 BC1分離群體，并在D11染色體上鑒定出一個與棉花VW抗性相關的主效QTL位點。本研究進一步利用28對SSR引物將QTL區間精細定位到1.58Mb。結合Vd誘導的海島棉品種Hai7124和陸地棉品種TM-1根系RNA-seq數據，鑒定出一個重要的抗病基因GbOSM1。作者證實GbOSM1在抑制Vd生長和引發植物整體免疫反應中起著重要作用。不同棉花品種GbOSM1啟動子中天然的A/G多態性形成了CCAAT和CCGAT元件的兩種單倍型，導致NFYA5轉錄因子的結合效率發生變化，進一步影響GbOSM1轉錄本和植物抗病性。本研究拓展了作者對植物滲透蛋白抗病性的認識，也為培育棉花抗VW品種提供了重要的基因資源。
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文章中水稻原生質體的提取和轉化使用了RTU4072 植物原生質體制備及轉化試劑盒。