西南大学生物技术中心裴炎教授团队揭示植物抗病新机制
近日，西南大学生物技术中心裴炎教授团队揭示了植物P4-ATPase介导的囊泡运输途径通过解毒病原真菌分泌的毒素来提高植物抗病性的新机制。相关研究成果以“Arabidopsis P4 ATPase-mediated cell detoxification confers resistance to Fusarium graminearum and Verticillium dahliae”为题发表在国际知名期刊Nature子刊《Nature communications》(IF = 14.919)。该成果是裴炎教授团队继《Nature Biotechnology》后的又一项高水平研究成果。
植物病原菌给世界范围内的农林产业造成严重的经济损失。包括镰刀菌与黄萎病菌在内的不少植物病原菌在侵染寄主的过程中会分泌多种真菌毒素。这些真菌毒素不仅引起植物萎蔫甚至死亡，还会进入食物链，给人畜健康造成严重危害。由于这类病害的致病机理复杂、寄主往往缺乏抗病的种质资源，通过常规育种手段提高作物对此类病害抗性的难度大、周期长。而粮食和饲料中的真菌毒素污染，已成为全球性的食品安全问题。
P4-ATPases是仅发现于真核生物中的磷脂翻转酶。它通过ATP的驱动将特定的磷脂从细胞外层膜翻转到内层膜，在细胞双层膜间磷脂的非对称排列及囊泡的形成与运输中发挥重要功能。但迄今为止，人们对P4-ATPases在真菌毒素细胞解毒中的功能知之甚少。该研究以禾谷镰刀菌毒素DON（呕吐毒素）与黄萎病菌毒素CIA为筛选剂，在拟南芥中鉴定出两个参与真菌毒素细胞解毒的P4-ATPase基因：AtALA1和AtALA7。研究结果表明，AtALA1和AtALA7介导的囊泡运输，能分别将这两种毒素包裹在囊泡中，转运至液泡隔离和降解，从而实现细胞解毒。超量表达AtALA1与AtALA7显著提高了转基因植株对禾谷镰刀菌与黄萎病菌的抗性。重要的是，AtALA1转基因玉米和拟南芥种子中的呕吐毒素含量大幅度降低。该研究丰富了我们对P4-ATPases功能的认识，利用这种囊泡运输相关的细胞解毒策略，可以跨物种实现对不同病原菌小种的广谱抗性，对提高植物对毒素相关病害的抗性有显著效果；同时为降低真菌毒素对食品安全的危害开辟了新途径，具有重要的应用前景。
AtALA1-/AtALA7介导的DON/CIA囊泡转运解毒真菌毒素、提高植物抗病性
真菌毒素DON或CIA在细胞膜（PM）被包裹至AtALA1/AtALA7介导形成的囊泡中，随后经早期内体（EE）和晚期内体（LE）被转运至液泡隔离与降解。亲脂性毒素CIA能够穿过细胞膜屏障进入细胞，引起植物萎蔫。亲脂性毒素DON可通过未知的膜相关被动转运或内吞途径进入细胞，与多个靶标结合而产生细胞毒性。将毒素包裹至囊泡中运输，避免了毒素与靶标的接触，保护了植物的先天免疫机制，从而提高了植物对毒素相关病原菌如赤霉病和黄萎病的抗性。同时，利用这种细胞解毒机制可大幅度降低真菌毒素对种子的污染。
西南大学为该论文的唯一完成单位，西南大学生物技术中心2015级博士生王凡龙为论文第一作者，生物技术中心李先碧、李玉杰、韩菁、陈杨、曾健晏、苏梅、卓静欣、任慧、刘浩儒、侯磊、范艳华、阎星颖、宋水清、赵娟、金丹及张觅等师生参与了部分工作，裴炎教授为本文通讯作者。该研究得到了国家科技部重点研发计划、国家转基因生物新品种培育重大专项、重庆市基础与前沿探索（重点）项目及重庆市研究生科研创新项目的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26727-5
含弘新闻网：http://news.swu.edu.cn/s/news/ybdt/20211109/4688131.html
裴炎教授团队一直致力于棉花纤维品质改良、微生物基因工程及植物抗病等的研究，在国外知名刊物上发表过多篇高水平论文。选取部分成果供大家参考：
Chen, Y., Zhang, M., Wang, L., Yu, X., Li, X., Jin, D., Zeng, J., Ren, H., Wang, F., Song, S., Yan, X., Zhao, J., and Pei, Y. (2021). GhKWL1 Upregulates but Its Function Is Impaired by Binding with VdISC1, a Pathogenic Effector of. Int. J. Mol. Sci. 22.
Ding, X., Li, X., Wang, L., Zeng, J., Huang, L., Xiong, L., Song, S., Zhao, J., Hou, L., Wang, F., and Pei, Y. (2021). Sucrose enhanced reactive oxygen species generation promotes cotton fibre initiation and secondary cell wall deposition. Plant Biotechnol. J. 19, 1092-1094.
Liu, R., Long, Q., Zou, X., Wang, Y., and Pei, Y. (2021). DNA methylation occurring in Cre-expressing cells inhibits loxP recombination and silences loxP-sandwiched genes. The New phytologist 231, 210-224.
Wang, F., Li, X., Li, Y., Han, J., Chen, Y., Zeng, J., Su, M., Zhuo, J., Ren, H., Liu, H., Hou, L., Fan, Y., Yan, X., Song, S., Zhao, J., Jin, D., Zhang, M., and Pei, Y. (2021). Arabidopsis P4 ATPase-mediated cell detoxification confers resistance to Fusarium graminearum and Verticillium dahliae. Nat. Commun. 12, 6426.
Zeng, J., Zhang, M., Hou, L., Bai, W., Yan, X., Hou, N., Wang, H., Huang, J., Zhao, J., and Pei, Y. (2019). Cytokinin inhibits cotton fiber initiation by disrupting PIN3a-mediated asymmetric accumulation of auxin in the ovule epidermis. J. Exp. Bot. 70, 3139-3151.
Zhang, M., Zheng, X., Song, S., Zeng, Q., Hou, L., Li, D., Zhao, J., Wei, Y., Li, X., Luo, M., Xiao, Y., Luo, X., Zhang, J., Xiang, C., and Pei, Y. (2011). Spatiotemporal manipulation of auxin biosynthesis in cotton ovule epidermal cells enhances fiber yield and quality. Nat. Biotechnol. 29, 453-458.