鉴定陆地棉抗棉蚜基因|全球新消息

2023-05-05 17:58:34 来源：中国作物学会

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棉蚜（Aphis gossypii Glover），作为一种危害极大的世界性棉花害虫，在大多数棉花产区均有发生并严重威胁着棉花的产量和品质。目前关于棉蚜抗性基因的研究比较少，严重影响棉花抗虫育种的发展。被子植物木质素是一种沉积在植物细胞壁中的聚合物，在植物的机械支持、矿物和水的运输以及对害虫和病原体的抵抗中发挥重要作用。木质素是一种复杂的酚类聚合物，主要由三种单体聚合（对香豆醇，H单体；松柏醇，G单体；芥子醇，S单体）形成。单体从胞质溶胶运输到质外体时会被漆酶（LAC）氧化生成木质素。目前关于LAC参与调控棉花抗棉蚜的分子机制还鲜有报道。

近日，石河子大学棉花遗传改良团队在在线发表了题为的研究论文，作者首先从两年大田和一年温室试验中鉴定并获得了两份对棉蚜表现出极端表型的棉花品种，并以其为亲本构建了一个包含有600个有效个体的F₂分离群体。以两个亲本和分离群体为研究材料，通过全基因组连锁分析和候选区间转录组分析鉴定到一个与棉花蚜虫抗性相关的候选基因GhLAC4-3，同时进一步研究该基因调控棉花棉蚜抗性分子机制。以上研究对棉花抗虫育种及提高棉花的产量和品质具有重要意义。

【资料图】

研究者将两个对棉蚜侵染表现为高抗和敏感的棉花品种进行为期两年的蚜虫生物测定，结果发现高抗品种的单株蚜虫数量均显著低于敏感品种（图1A）。随后对F₂分离群体进行棉蚜抗性调查和简化基因组测序。通过全基因组连锁分析，分别在A09、D04、D07和D10染色体上检测到4个新的棉蚜抗性QTL（图1B）。由于qRA-D04.1的LOD得分最高，因此将其作为主效QTL并对候选区间进行了转录组分析。结果发现，GhLAC4-3在高抗品种中的表达量显著高于敏感品种，并在敏感品种GhLAC4-3的DNA中发现了一个10 bp的碱基插入，该插入造成了氨基酸的移码突变并导致了翻译的提前终止。序列比对和蛋白质保守结构域分析表明，GhLAC4-3与17个拟南芥漆酶基因具有相同的保守结构域并与AtLAC4的同源性最高。为了研究GhLAC4-3在棉花抵御蚜虫中的作用，对高抗品种进行VIGS（virus induced gene silencing）处理（图1C, D），并对VIGS植物的幼叶进行了棉蚜选择和非选择性取食实验。结果发现，沉默植株上的蚜虫数量明显高于对照植株（图1E-H）。前人研究表明，植物漆酶基因主要参与植物细胞壁的木质素生物合成。为了确定GhLAC4-3是否参与木质素生物合成，作者对VIGS植物的茎和幼叶进行了木质素的组织染色和含量测定。研究发现，对照植株幼叶和茎中的红色染色强度明显高于沉默植物（图1I），并且木质素含量测定也获得了相同的结果（图1J）。基于这些结果，作者检测与木质素生物合成相关基因的表达水平。结果发现，与对照植株相比，位于GhLAC4-3上游的六个木质素生物合成相关基因，即GhCCR1、GhCCR2、GhC4H1、Gh4CL、GhCOMT和GhCAD的表达水平在沉默植株中显著降低（图1K）。综上所述，GhLAC4-3通过调节与木质素生物合成相关基因的表达水平参与棉花木质素的生物合成并增强了棉花对棉蚜的抗性。该研究为抗虫棉花的定向培育和抗虫育种提供了重要的候选基因和理论基础，同时也丰富了漆酶家族的功能研究，对其在植物抗虫中的作用有了更深的理解。

图1 蚜虫抗性基因GhLAC4-3的挖掘与鉴定

作者和基金项目

新疆石河子大学农学院硕士研究生安秋双为该文第一作者，聂新辉教授为通信作者，潘振远副教授和吴元龙副教授对该文进行了实验设计和写作指导，努日曼古丽·艾尼博士和韩鹏硕士参与了该文的数据调查和分析，石河子农业科学院棉花研究所尤春源研究员对该文中大田表型调查和论文写作给与了指导。该研究得到兵团科技创新与人才计划（2021CB028）、兵团中青年领军人才项目（2020CB017）、石河子科技攻关重点领域科技攻关项目（2022NY01）和第五师科技计划项目（2021NY02）的资助。

THE CROP JOURNAL

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The Crop Journal(《作物学报（英文版）》)是中国科协主管，中国作物学会、中国农业科学院作物科学研究所和中国科技出版传媒股份有限公司共同主办的学术期刊，创刊于2013年10月。办刊宗旨为刊载作物科学相关领域最新成果，开展国际学术交流，促进我国作物科学研究水平及国际影响力的提升。主要刊登农作物遗传育种、耕作栽培、生理生化、生态、种质资源以及与农作物有关的生物技术、生物数学、农业气象等领域以第一手资料撰写的研究论文、研究简报以及专题综述等。2021年The Crop Journal的SCI影响因子为4.647，在JCR农学和植物学两个学科位于Q1区，并位列中科院分区农林类期刊一区。2019–2023年获中国科技期刊卓越行动计划重点项目资助。

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