一、Plant Com | 中国农科院棉花研究所分子遗传改良团队构建棉纤维伸长的基因调控网络

2024年9月5日，Plant Communications在线发表了由中国农业科学院棉花研究所分子遗传改良团队杨召恩课题组完成的“Regulatory Networks of Coresident Subgenomes during Rapid Fiber Cell Elongation in Upland Cotton”研究。该研究整合全基因组关联分析（GWAS）和表达数量性状位点（eGWAS）分析，构建了调控纤维伸长的共表达网络，挖掘出转录因子GhWRKY28调控反式基因GhTOL9的表达，并通过ESCRT途径影响棉纤维细胞伸长。

棉纤维是重要的天然纤维来源，是重要的战略物资。陆地棉（Gossypium hirsutum L.）作为全球种植最为广泛的棉种，其纤维产量占全球总量的95%。纤维长度是决定其经济价值的主要因素，研究纤维的伸长机制对于增加纤维长度至关重要。然而，棉纤维的伸长受多基因共同调控，构建纤维伸长过程中的调控网络对于纤维改良具有重要价值。

全基因组关联分析已经成为挖掘重要农艺性状调控因子的有效手段。本研究通过对421份陆地棉的基因组和纤维伸长期2个时间节点的1410份转录组数据进行联合分析，在两个时期分别鉴定到21,312和35,463个eQTLs，调控7551和11841个基因基因表达，其中超过70%的eQTLs为远程调控eQTLs（trans-eQTL)，这些位点为改良棉纤维品质提供了重要的遗传资源。

研究人员在纤维发育快速伸长时期（开花后10天）鉴定到一个调控纤维发育的关键网络Hotspot456，该网络受D11染色体上的区段调控，与1877个基因的表达相关联。众所周知，转录因子参与基因的表达调控。有趣的是Hotspot456中包含94个转录因子，其中包含多个已报道的与棉纤维发育相关基因。

研究表明trans-eQTLs相比于cis-eQTLs遗传效应更弱，但trans-eQTLs能够影响更为广泛的调控网络，因此，微效的trans-eQTLs对表型的影响更大。挖掘trans-eQTLs将有助于为培育优质、高产的棉花新品种提供更多的遗传位点。研究人员发现trans-eQTLs的靶基因的启动子区存在转录因子结合的motif序列，进一步分析发现trans-eQTLs区间内存在对应的转录因子，这暗示着trans-eQTLs可能通过转录因子调控靶基因的表达。通过双荧光素酶互补实验（LUC）、酵母单杂交实验（Y1H）和凝胶迁移实验（EMSA）证实了GhWRKY28对携带trans-eQTL的GhTOL9基因表达的调控作用。

通过构建GhTOL9和GhWRKY28的转基因材料，发现转基因材料的纤维长度显著变化。研究人员提出了一个新的调控棉花纤维细胞伸长的模型：在正常情况下，低量表达水平的GhWRKY28可保证GhTOL9的正常转录。相反，过量表达GhWRKY28会促进其与靶基因GhTOL9启动子上W-BOX的结合，进而抑制GhTOL9的转录，从而阻碍质膜上泛素化蛋白通过ESCRT途径降解，抑制纤维伸长。

该项目得到了国家重点研发计划、中国农业科学院科技创新工程和河南省重点研发计划等项目资助。中棉所在读博士生杨兰是论文的第一作者，杨召恩研究员、李付广研究员和葛晓阳研究员为论文共同通讯作者。

二、Plant Com |四川省农业科学院： 异源四倍体物种偏凸山羊草高质量基因组揭示其进化历史以及对小麦遗传改良的贡献

偏凸山羊草（Aegilops ventricosa，2n=4x=28，基因组D^vD^vN^vN^v）是一种异源四倍体小麦近缘属物种，主要分布于地中海及其邻居区域，因其具有良好的抗生物胁迫能力，一直被认为是小麦遗传改良的重要种质资源。早在上世纪90年代，国外小麦育种家已经成功将偏凸山羊草2N^vS染色体片段利用到普通小麦中，创制出世界著名的小麦品系VPM1，在此基础上培育出了含有抗性基因簇Yr17-Lr37-Sr38-Cre5的一系列小麦品种，如Jagger 、Renan等。近年来，在更多小麦材料中检测到了源自偏凸山羊草基因组的渐渗片段。然而，由于缺乏偏凸山羊草参考基因组，这些渐渗片段在偏凸山羊草中的原始状态仍然未知，限制了渐渗片段的深入研究与应用。

2024年9月10日， Plant communications在线发表了四川省农科院和中国农科院合作的题为“Genome architecture of the allotetraploid wild grass Aegilops ventricosa reveals its evolutionary history and contributions to wheat improvement”的研究文章。本研究成功组装了一个偏凸山羊草材料RM271的染色体水平高质量参考基因组（图1），该基因组大小为8.67 Gb，最长contigs和contigs N50分别为255.18 Mb和54.71 Mb，BUSCO完整性为99.18%。偏凸山羊草参考基因组的破译，为克隆偏凸山羊草来源的抗病抗逆等优异基因奠定了基础，对进一步利用偏凸山羊草开展六倍体普通小麦的遗传改良具有重要意义。

通过系统发育分析表明，偏凸山羊草的D^v亚基因组的祖先供体为Ae. tauschii ssp. tauschii（基因组DD），不同于普通小麦的D亚基因组的祖先供体Ae. tauschii ssp. strangulata（基因组DD），该发现在未来小麦遗传改良中，为利用偏凸山羊草的D^v亚基因组来拓宽小麦D亚基因组的遗传多样性奠定了理论基础（图2A）。分子进化证据显示，偏凸山羊草起源最晚时间约在0.7Mya（70万年前），这比Ae. tauschii ssp. strangulata与四倍体小麦（T. turgidum，基因组AABB）的杂交形成六倍体普通小麦的时间要更早一些；当然，这个估值可能偏小，后续还需要基于更大的群体，更精确地估计形成时间（图2B）。

基于基因组染色体结构分析（图3），我们发现偏凸山羊草D^v亚基因组较普通小麦的D亚基因组具有更多的结构重排。偏凸山羊草基因组的结构重排既存在于D^v和N^v亚基因之间，也存在于亚基因组内，且D^v和N^v亚基因组内的染色体重排要更多于亚基因组间的染色体重排。最大的染色体重排是D^v和N^v亚基因组之间染色体臂的交换，形成了嵌合的1N^v和3D^v染色体。此外，还包括了一个长度约为37Mbp的6N^vL-2N^vS易位，该片段即是著名的小麦材料VPM1及其衍生品种中的2N^vS片段（本研究材料中的同源区段为6N^vL），这使得我们可以进一步深入研究该区段的祖先状态。通过构建24个2AS/6N^vL同源区段基于Graph的泛基因组（其中包括6个6N^vL 片段和18个2AS片段），我们鉴定到了具有完整R基因结构的6个抗病相关候选基因，这些基因在6N^vL片段和2AS片段具有不同的基因型，这为后期的抗病基因克隆奠定了一定基础（图4）。

我们基于基因组组装序列，在普通小麦中鉴定到3个新的源自7D^vL染色体的渐渗片段，证明了利用偏凸山羊草来拓宽普通小麦D亚基因组遗传多样性的可行性。此外，我们基于RM271高质量基因组，分析了664份小麦全基因组重测序数据，鉴定出了12个非冗余的D^v和N^v亚基因组来源的渐渗片段。在欧洲小麦品种中，检测出这些渐渗片段的频率最高，高达29.40%，证明偏凸山羊草在欧洲小麦遗传改良中起了重要贡献（图5）。

四川省农业科学院刘泽厚博士、杨凡博士、万洪深博士，成都基因汇科技有限公司邓操博士、江苏里下河农科所胡文静博士为该论文共同第一作者。四川省农业科学院杨武云研究员、李俊研究员，中国农业科学院作物科学研究所贾继增研究员为该论文共同通讯作者。四川省农业科学院和四川农业大学相关科技人员参与了该项研究工作。该研究得到四川省财政专项资金“1+3”项目（1+3 ZYGG001），四川省科技计划项目（2021YFYZ0020，2022NSFSC0161, 2023NSFSC1925），四川省农业科学院战略科学家工作室，国家小麦产业技术体系等项目资助。

三、Plant Com | 上海交通大学范江波课题组证实OsRbohI才是水稻先天免疫反应活性氧爆发的关键因子

植物的先天免疫系统主要由分子模式触发的免疫PTI（PAMP triggered immunity）和效应子触发的免疫ETI（Effector triggered immunity）两层免疫组成。胞外活性氧爆发是植物PTI最典型的免疫反应之一，是由质膜定位的NADPH氧化酶——Rboh（respiratory burst oxidase homologs）介导的。活性氧既能够直接杀死病原菌，也可作为重要的信号分子来传递免疫激活信号，对植物抵抗病原菌的入侵具有至关重要的作用。

在双子叶模式植物拟南芥中，AtRbohD是PTI免疫反应活性氧爆发的主要蛋白，atrbohd 突变体中几乎检测不到PAMP诱导的活性氧，对多种病原菌的抗性显著减弱。水稻基因组编码9个Rboh成员（OsRboh A到I），自2007年报道以来，OsRbohB一直被认为是控制水稻PTI活性氧爆发的关键因子。然而，该结论并没有充分的遗传证据来支持，水稻抗病领域相关研究均围绕OsRbohB开展。

近日，上海交通大学范江波课题组在Plant Communications杂志上发表了题为OsRbohI Is the Indispensable NADPH Oxidase for Molecular Patterns Induced Reactive Oxygen Species Production in Rice的研究论文，证实了OsRbohI才是水稻先天免疫反应活性氧爆发的关键因子，而非OsRbohB。

活性氧与植物的抗性病显著相关，为了进一步验证OsRbohI在水稻抗病中的作用，对3个osrbohi突变体株系进行稻瘟菌的接种，结果显示，与对应野生型相比，所有的osrbohi突变体株系都出现出极显著的易感性，表现为更大的病斑和和更高的稻瘟菌生物量，表明OsRbohI正调水稻对稻瘟病菌的抗性。

为了验证Rboh在单子叶和双子叶植物间的保守性，作者用水稻OsRbohI、OsRbohB和OsRbohE基因互补拟南芥atrbohd突变体的活性氧爆发缺陷，结果表明只有OsRbohI可以互补拟南芥atrbohd突变体的活性氧爆发缺陷，而OsRbohB和OsRbohE均不能。OsRbohI跨物种发挥作用，表明Rboh在单双子叶植物间具有功能保守性。为了进一步验证功能保守性，作者对OsRbohI的磷酸化位点进行了质谱鉴定，发现OsRbohI与AtRbohD共享多个保守的磷酸位点，包括拟南芥AtRbohD中3个关键的磷酸化位点S339、S343和S347，而OsRbohB则未检测到这三个位点的磷酸化，进一步表明OsRbohI和AtRbohD在活性调控上的保守性。

该论文通讯作者为上海交通大学农业与生物学院范江波副教授，博士生赵智芳和博士后孙爱清为论文共同第一作者，助理研究员郑馨航，博士后许雨晨、白璐，博士生单文峰、王英，硕士生王元萌、安卓和已毕业本科生王小艺参与了此工作。该研究得到了上海市现代种业协同创新中心项目和国家自然科学基金面上项目资助。感谢南京农业大学赵方杰教授、四川农业大学王文明教授、西北农林科技大学陈坤明教授、中科院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳研究员、浙江大学梁岩教授、中国植保所宁约瑟研究员等为本课题提供的植物材料支持。感谢美国俄亥俄州立大学王国梁教授和上海交通大学吕东平教授的指导。