罗明研究员课题组在棉花鞘脂及抗病研究上又有新进展

近日，罗明研究员课题组在棉花鞘脂及抗病研究上又有新进展，相关研究成果以题为“GhIQD10 interacts with GhCaM7 to control cotton fiber elongation via calcium signaling”、“Down-regulating a fiber-specific KCR like gene GhKCRL1 suppressed fiber elongation through blocking the synthesis of sphingolipids in fiber cell”、“GhCYP710A1 Participates in Cotton Resistance to Verticillium Wilt by Regulating Stigmasterol Synthesis and Plasma Membrane Stability”和“Overexpression of a ceramide synthase gene,GhCS1, inhibits fiber cell initiation and elongation by promoting the synthesis of ceramides containing dihydroxy LCB and VLCFA”分别在线发表于The Crop Journal、Industrial Crops & Products、International Journal of Molecular Sciences和Frontiers in Plant Science刊物上。这也是罗明研究员课题组继2022年3月份发表5篇研究性论文后再次发表的4篇研究性论文。

1.GhIQD10通过与GhCaM7互作从而经由钙离子信号控制棉花纤维发育

The Crop Journal在线发表了罗明研究员课题组题为“GhIQD10 interacts with GhCaM7 to control cotton fiber elongation via calcium signaling”的研究论文，通过棉花遗传转化生化与分子生物学等技术手段，揭示了GhIQD10调控棉花纤维发育的分子机制。

研究者首先通过棉花遗传转化证实在棉花中过量表达GhIQD10导致纤维变短，而通过病毒介导的基因沉默下调该基因的表达则对棉花纤维发育没有影响。进一步通过酵母双杂交筛选到GhIQD10能够与GhCaM7互作，而已有报道表明GhCaM7是钙离子的感应器，通过调节细胞内活性氧的产生从而促进棉纤维发育。进一步对GhIQD10与GhCaM7之间的互作研究表明，钙离子能够抑制它们之间的互作。通过钙离子荧光探针(Fluo3)检测表明GhIQD10过表达株系纤维中钙离子含量显著降低，随后通过胚珠体外培养技术证明了钙离子能够挽救GhIQD10过表达株系的短纤维表型，并且GhIQD10过表达株系在纤维发育过程中对钙离子流抑制剂不敏感。即就是说，当钙离子含量较低时，GhIQD10与GhCaM7互作，抑制了GhCaM7对纤维发育的促进作用，从而导致了短纤维的表型；而当钙离子存在时，能够抑制GhIQD10与GhCaM7的互作，释放出GhCaM7，进而促进了棉纤维的伸长(图1)。此外通过对GhIQD10过表达株系纤维转录组的分析发现，油菜素内酯(Brassinosteroid, BR)信号及合成途径基因皆显著上调，GhIQD10过表达株系对外源添加的表油菜素内酯及BR合成抑制剂BRZ均没有响应，表明GhIQD10调控纤维发育可能与BR无关。

图1 GhIQD10控制棉花纤维发育的工作模型

论文链接https://doi.org/10.1016/j.cj.2022.08.011

2.下调GhKCRL1基因通过阻断纤维细胞中鞘脂的合成来抑制棉纤维伸长

通过超短纤维突变体Li-1及其野生型TM-1的10天纤维细胞中差异表达基因的鉴定，克隆到GhKCRL1基因。研究表明GhKCRL1在纤维伸长期特异表达，而在转基因纤维细胞中下调GhKCRL1基因的表达，可抑制纤维伸长，显著缩短成熟纤维长度。进一步转基因纤维中鞘脂组的检测表明在转基因纤维中鞘脂的含量显著下降，尤其是含有VLCFA的分子种类降低。通过外施VLCFA (C24)可以促进转基因纤维细胞的伸长。结果表明，GhKCRL1通过调控VLCFA和鞘脂的生物合成在棉纤维伸长中发挥作用。

该研究以“Down-regulating a fiber-specific KCR like gene GhKCRL1 suppressed fiber elongation through blocking the synthesis of sphingolipids in fiber cell” 为题发表在Industrial Crops & Products。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.115290

3.植物甾醇在与棉花黄萎病抗性中的重要作用

大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）所引起的黄萎病会造成棉花严重减产，被誉为棉花的“癌症”。而植物甾醇在植物-病原菌互作中具有重要的作用，该研究首先分析了大丽轮枝菌侵染后棉花根系甾醇组成和含量的变化，结果表明侵染导致棉花根系中总甾醇和各类甾醇含量均下降。进而从陆地棉中克隆了甾醇C22 -去饱和酶基因GhCYP710A1，并解析了该基因在棉花黄萎病抗性中的作用。通过在棉花中过表达和沉默该基因以及在拟南芥中异源表达该基因，表明该基因过表达能够增强棉花对大丽轮枝菌的抗性。甾醇含量检测表明，该基因过表达株系根中的豆甾醇与谷甾醇的比值(St/Si)增加，表明谷甾醇向豆甾醇的转化被激活。同时，转基因拟南芥和棉花在V991侵染后，细胞膜通透性降低，活性氧含量降低并且V991菌株定殖率降低。此外，GhCYP710A1表达的改变和豆甾醇含量的改变还导致了JA信号和ROS信号的改变，而这可能是其调控棉花黄萎病抗性的原因之一。该研究结果以“GhCYP710A1 Participates in Cotton Resistance to Verticillium Wilt by Regulating Stigmasterol Synthesis and Plasma Membrane Stability”为题发表在International Journal of Molecular Sciences。

论文链接：https://doi.org/10.3390/ijms23158437

4.过表达棉花神经酰胺合成酶GhCS1通过促进含有二羟基LCB及VLCFA的神经酰胺合成而抑制棉纤维起始及伸长

在本研究中，我们鉴定了一个棉花神经酰胺合成酶基因GhCS1，该基因主要在纤维细胞中表达。过表达GhCS1基因对棉花营养和生殖生长均有明显的抑制作用，尤其是严重抑制纤维细胞的起始和伸长。鞘脂组检测表明，转基因棉花0DPA胚珠（含纤维）中鞘氨醇(Sph)含量显著降低，而植物鞘氨醇(Phyto-Sph)含量无明显变化。此外，转基因棉花胚珠中含有Sph以及超长链脂肪酸(VLCFA)的神经酰胺含量显著增加，而含有PhytoSph和长链脂肪酸(LCFA)/VLCFA的神经酰胺含量则显著降低。即GhCS1优先以Sph和VLCFA为底物来合成神经酰胺，并且与优先以Phyto-Sph和VLCFA为底物的拟南芥神经酰胺合酶AtLOH1/AtLOH3以及与优先以Sph和LCFA为底物的AtLOH2不同。综上，该研究表明GhCS1是一个新的神经酰胺合成酶基因并且该基因对棉花的生长发育具有重要的作用。该研究结果以“Overexpression of a ceramide synthase gene,GhCS1, inhibits fiber cell initiation and elongation by promoting the synthesis of ceramides containing dihydroxy LCB and VLCFA”为题发表在Frontiers in Plant Science。

论文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.1000348/full

以上研究得到了转基因专项（2018ZX0800921B）和国家自然科学基金（31971984和31571722）的资助。

罗明研究员课题组长期以棉花为研究对象，聚焦于作物分子遗传育种以及作物抗逆等方面的研究工作，主要是探索植物激素及其相关基因在作物生长发育中的作用和调控机制，特别是油菜素类固醇激素（Brassinosteroids, BRs）对作物产量和品质以及抗逆性形成的作用和调控机制。该团队已在Journal of Integrative Plant Biology、Industrial Crops and Products、Plant Journal等国内外重要学术期刊上发表多篇高水平研究论文。