植物抗病功能基因组研究团队揭示单子叶植物特有基因簇调控水稻免疫和细胞死亡的分子机制

      近日,植物病虫害生物学国家重点实验室植物抗病功能基因组研究团队在《科学通报》(Science Bulletin)上发表了题为“A monocot-specific hydroxycinnamoylputrescine gene cluster contributes to immunity and cell death in rice”的研究论文。该论文首次报道了单子叶植物特有的脂肪族酚胺-羟基肉桂酰腐胺(HP)基因簇调控水稻免疫和细胞死亡的分子机制。
      代谢动态平衡对人类健康起着至关重要作用,代谢紊乱往往会引起疾病。研究表明代谢物在植物的生长发育和胁迫应答过程中同样扮演着重要的角色。酚胺类代谢物是植物苯丙烷途径衍生的次级代谢物。早期研究发现病原菌侵染能够诱导植物酚胺类代谢物的积累,表明这类代谢物在植物免疫中可能发挥重要作用,但其生物合成和调控机制尚不清楚。
      该研究利用基于代谢物的全基因关联分析在水稻9号染色体上鉴定到控制羟基肉桂酰腐胺代谢物合成的基因簇。该基因簇由一个鸟氨酸脱羧酶基因( OsODC )和两个串联的腐胺羟基肉桂酰转移酶基因( OsPHT3 和 OsPHT4 )组成。功能分析表明,基因簇中三个基因均正调控水稻抗病性,并且 OsPHT3 和 OsPHT4 正调控HP的积累和水稻细胞死亡。进一步研究发现 OsPHT4 的启动子可以被水稻免疫及细胞死亡负调控转录因子APIP5直接结合。APIP5转录抑制 OsPHT4 的表达从而负调控HP的积累。此外,研究者利用比较基因组学分析发现HP基因簇在单子叶植物中具有保守性,暗示HP基因簇在单子叶植物中可能有相似的生物学功能和调控机制。该研究揭示了单子叶植物特异的脂肪族酚胺代谢基因簇的生物合成及其调控植物免疫和细胞死亡的新机制,为代谢水平上揭示植物细胞死亡及免疫机制提供了新思路,为抗病分子育种奠定了重要理论基础。
      植物病虫害生物学国家重点实验室客座博士研究生方红和华中农业大学博士研究生沈双欠为共同第一作者。植物病虫害生物学国家重点实验室客宁约瑟研究员和海南大学罗杰教授等为文章的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目和博士后基金等科研经费的支持。