Advanced Science [2023 IF14.3 ]南京农业大学研究团队使用植物原生质体制备及转化试剂盒（目录号：RTU4072）发表文章
渗透素被归类为第5组致病相关蛋白。然而，其在植物抗病性中涉及的分子机制仍大部分未知。
2024年10月16日，南京农业大学郭旺珍及王心宇共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Natural SNP Variation in GbOSM1 Promotor Enhances Verticillium Wilt Resistance in Cotton”的研究论文。王桂林为论文第一作者。
该研究在海岛棉(Gb)中鉴定出一种抗黄萎病(VW)相关的渗透素基因GbOSM1。GbOSM1优先在抗病海岛棉(G. barbadense acc. Hai7124) 的根部表达，并受到大丽黄萎病(Vd)的高度诱导。沉默GbOSM1可降低Hai7124的VW抗性，而在易感疾病的海岛棉中过量表达GbOSM1可提高耐受性。GbOSM1主要定位在液泡膜中，而在受到渗透胁迫或Vd感染时，它会转移到质外体。GbOSM1通过水解Vd的细胞壁多糖并激活植物免疫途径来赋予VW抗性。自然变异导致棉花品种OSM1启动子中CCAAT/CCGAT元件的差异。所有G.hirsutum(Gh)都表现出CCAAT单倍型，而G.barbadense中有两种CCAAT/CCGAT单倍型，CCGAT单倍型表达量更高，抗VW性更强。NFYA5转录因子与GhOSM1启动子的CCAAT元件结合并抑制其转录。沉默GhNFYA5可提高GhOSM1的表达量并增强抗VW性。这些结果拓宽了对渗透素功能机制的认识，并为培育抗VW棉花提供了有效的策略。
黄萎病（VW）是由土传维管束真菌Verticillium dahliae Klep.（Vd）引起的病害。Vd寄主范围广，可对棉花、番茄、马铃薯等作物造成严重危害。Vd以微菌核的形式在土壤中存活很长时间，在适宜的条件下直接侵染植物根部，首先穿透根表皮，定殖于木质部中的维管系统，然后堵塞维管并释放毒素，导致叶片失绿、枯萎、植株死亡，大大降低作物的产量和品质。由于Vd在土壤中传播并定殖于维管组织内部，使用化学杀菌剂防治VW效率低且对环境有害，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的植物品种。
棉花（Gossypium spp.）是世界上一种重要的天然纺织纤维作物。四倍体陆地棉和海岛棉是两种主要的棉花栽培品种，它们起源于A-二倍体和D-二倍体物种之间的一次杂交事件。大多数海岛棉种质对VW具有抗性，而占全球棉花产量约97%的陆地棉却不具有抗性。棉花对VW的抗性是一种由多个基因座控制的复杂遗传性状，易受环境影响。迄今为止，利用标记辅助作图或全基因组关联研究已检测到400多个与VW抗性相关的数量性状基因座(QTL)，它们广泛分布在几乎所有26条四倍体棉花染色体中。然而，只有少数基因被克隆并进行了功能鉴定。
图位克隆表明，棉花GhLMMD基因编码区内的无义突变导致5-氨基乙酰丙酸的过度积累，从而提高活性氧和水杨酸的含量，促进免疫反应的激活和棉花对VW的抗性增强。通过解析海岛棉和陆地棉基因组的结构变异，发现与VW抗性相关的变异主要位于D亚基因组中，而影响纤维产量性状的变异则主要位于A亚基因组中。进一步研究表明，位于D11染色体上与病程相关的10/Bet v1蛋白家族基因GhNCS可能是控制棉花VW抗性的一个可能致病基因。然而，由于棉花VW对生产的威胁日益严重，而单个基因座对抗VW的影响又有限，分离更多的VW抗性基因，特别是那些既能增强抗性又不对棉花其他农艺性状产生不利影响的基因显得尤为重要。
植物进化出了两大防御系统，即PTI（病原体相关分子模式触发免疫）和ETI（效应物触发免疫），以应对病原体的攻击。PTI系统性地防御病原体的入侵，而ETI通常导致局部程序性细胞死亡。这两个过程激活了许多相似的下游反应，包括激素积累、活性氧（ROS）的产生和防御相关蛋白的表达。防御相关蛋白分泌到细胞外空间对于建立宿主植物的抗性至关重要。这个过程直接有效地最大限度地控制病原体的入侵。其中，一些由致病相关基因（PR）编码的蛋白质，如PR1、PR2和PR5，表现出抗菌活性，强烈暗示了它们具有防御作用。PR通常被定义为在健康组织中不存在或仅以极少量存在，但在病原体存在的病理条件下大量积累的蛋白质，它们是区分植物抗病反应启动的重要生化标记。然而，棉花防御病原体过程中必需的PR及其功能机制仍然是个谜。
PR5是一类富含半胱氨酸的蛋白质，由于其序列与索马甜蛋白相似，也称为索马甜样蛋白（TLP）。16个保守的半胱氨酸残基均匀分布在整个PR5中，形成8个二硫键，以保障蛋白质的准确折叠和稳定性。这一结构特征还增强了它们抵抗蛋白酶、pH变化和热诱导变性的能力。已报道的一种PR5蛋白含有244个残基，缺乏甜味，在病原体感染过程中积累。它也是在烟草细胞渗透胁迫下产生的，因此也称为渗透素，可增强植物对各种生物或非生物胁迫的耐受性。在根和茎组织中发现了大量渗透素，它们通过引起孢子裂解、降低孢子活力、抑制孢子萌发和菌丝生长而表现出抗真菌活性。分散在一级序列中五个高度保守的氨基酸REDDD可以在3D水平上形成保守的酸性裂解结构域，确保渗透素的抗真菌活性。
多项研究指出，渗透蛋白进入质膜，导致跨膜孔形成和膜破裂，这可能与膜受体的识别有关。OsOSM1编码水稻中的渗透蛋白，在抗纹枯病水稻品种中受立枯丝核菌强烈诱导，但在易感品种中则不受诱导。OsOSM1的过表达可提高水稻的抗病性。过量生产渗透蛋白的马铃薯对致病疫霉菌的抗性增强，体外纯化的蛋白质对病原菌更有效。可可树中的TcOSM1可抑制Moniliophthora perniciosa菌丝体的生长以及植物病原真菌大豆镰刀菌和棉炭疽菌的孢子萌发。尽管在不同植物的渗透素基因方面取得了这些进展，但渗透素的作用及其在棉花抗VW中的调控机制仍然很大程度上未知。
在之前的报道中，作者研究组利用对Vd分别表现出抗性和易感性的海岛棉品种Hai7124和陆地棉品种君棉1，构建了（君棉1×Hai7124）×君棉1 BC1分离群体，并在D11染色体上鉴定出一个与棉花VW抗性相关的主效QTL位点。本研究进一步利用28对SSR引物将QTL区间精细定位到1.58Mb。结合Vd诱导的海岛棉品种Hai7124和陆地棉品种TM-1根系RNA-seq数据，鉴定出一个重要的抗病基因GbOSM1。作者证实GbOSM1在抑制Vd生长和引发植物整体免疫反应中起着重要作用。不同棉花品种GbOSM1启动子中天然的A/G多态性形成了CCAAT和CCGAT元件的两种单倍型，导致NFYA5转录因子的结合效率发生变化，进一步影响GbOSM1转录本和植物抗病性。本研究拓展了作者对植物渗透蛋白抗病性的认识，也为培育棉花抗VW品种提供了重要的基因资源。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202406522
文章中水稻原生质体的提取和转化使用了RTU4072 植物原生质体制备及转化试剂盒。