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昆明植物所在植物抵御链格孢菌的“化学防御及分子调控”研究中取得重要进展

文章来源:资源植物与生物技术重点实验室  |  发布时间:2019-07-15  |  作者:宋娜  |  浏览次数:  |  【打印】 【关闭

 

  链格孢菌(Alternaria alternata)是一种营腐生性生活的病原真菌,它的不同病理小种可以侵染烟草、马铃薯、苹果、梨等诸多重要的经济及粮食作物,每年均造成大量的经济损失。与栽培烟草相比,它的野生二倍体近缘种-渐狭叶烟草(Nicotiana attenuata)无论是在实验室,还是在自然生境下,均表现出对链格孢菌很强的抗性。这种抗性很可能与其能积累高水平的抗菌化合物,即“化学的防御”有关。中国科学院昆明植物研究所功能基因组学与利用团队吴劲松研究组在前期发现,链格孢菌感染后,该植物会在入侵位点周围大量积累香豆素类的植保素-scopoletinscopolinSun et al., 2014Li and Wu 2016);而且这两种植保素的诱导合成,依赖于植物体内的茉莉酸和乙烯信号系统(Sun et al., 2014Sun et al., 2017)。但是,是否还有别的植保素类物质参与渐狭叶烟草抵御链格孢菌的过程仍然未知。 

  中国科学院昆明植物研究所功能基因组学与利用团队吴劲松研究组联合云南民族大学民族医药学院的汪伟光副研究员,以及德国马普化学生态所的Ian T. Baldwin教授,以渐狭叶烟草为材料,综合利用了分子生物学、化学分析、生物化学及植物病理学等多学科的手段,系统的研究了这种植物在感染了链格孢菌后的“化学的防御及其分子调控”。 

  研究结果发现当植物受到真菌的感染后,从萜类合成前体(乙酰辅酶A)到倍半萜合成过程中大量酶基因(HMG-CoA synthaseMVA kinaseMVAP kinaseMVAPP kinase MVAPP decarboxylase HMG-CoA reductase FPPSEASs EAHs)的表达都被显著的上调。进一步的化学分析表明,倍半萜类化合物capsidiol在幼嫩的叶片中能够被链格孢菌诱导合成超过50 μg/g鲜重的水平。在体外,capsidiol在生理浓度下对链格孢菌有非常明显的抑菌效果。更重要的是,当把合成capsidiol的关键酶基因5-epi-aristolochene synthase (EAS),或 5-epi-aristolochene hydroxylase (EAH) 沉默后,植物会因为不能积累或只能积累少量的capsidiol ,从而显著性的降低了对链格孢菌的抗病能力。这些结果说明capsidiol是一种在野生烟草叶片中被链格孢菌大量诱导合成的,且在抵御该菌的过程中起着非常重要作用的倍半萜物质,因此它是一种重要的抗链格孢菌的植保素。有意思的是,与前期发现的香豆素类的植保素-scopoletinscopolin不同,链格孢菌感染诱导的capsidiol的积累不依赖于植物体内的茉莉酸和乙烯信号系统。 

  通过调控生物合成酶基因的表达是植物控制次生代谢产物的一种极为重要的方式。因此,寻找重要的参与调控的转录因子是研究次生代谢产物生物合成调控的重要手段。研究组利用野生烟草受到链格孢菌侵染1天的转录组找到了6个被链格孢菌高水平诱导的转录因子,分别为ABR1-likeZAT12-likeWRKY40WRKY43WRKY61ERF2-like。利用病毒介导的基因沉默实验发现只有转录因子ERF2-like在沉默后,链格孢菌诱导的合成capsidiol的关键酶基因EAS12表达量及合成capsidiol的生物量显著降低。随后利用酵母单杂交、染色质免疫共沉淀、启动子激活活性分析、亚细胞定位、以及转基因介导的超表达等手段, 从细胞、基因、蛋白以及次生代谢产物等水平来系统的证明野生烟草中转录因子ERF2-like能够直接通过调控合成capsidiol的关键酶基因EAS12进而来调控植保素capsidiol 生物合成。 

  该研究揭示了植物在感受到病原菌的感染后,会通过不同的信号通路,调控不同的抗性植保素来抵御链格孢菌入侵的抗性机制:一方面宿主植物会激活茉莉酸和乙烯信号通路,调控植保素scopoletinscopolin的合成,另一方面还通过转录因子ERF2-like,调控另一个重要植保素capsidiol。以上研究成果以“An ERF2-like transcription factor regulates production of the defense sesquiterpene capsidiol upon Alternaria alternata infection”为题在线发表在植物学重要期刊Journal of Experimental Botanydoi: 10.1093/jxb/erz327上,博士研究生宋娜,工作人员马岚及云南民族大学的汪伟光副研究员为论文的共同第一作者,吴劲松研究员为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金等的资助。 

 

  图:植物在感受到链格孢菌的入侵后,独立的启动了茉莉酸和乙烯依赖的香豆素类的植保素scopoletinscopolin的防御反应,同时还启动了另一条ERF2-like的信号通路,调控了植保素capsidiol的生物合成。 

(责任编辑:李雪)

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