JIPB | 华中农大油菜团队杨光圣课题组揭示STOP2调控硫代谢和菌核病抗性的新机制

学术 2024-11-08 06:35 英国

硫元素参与氨基酸和蛋白质的形成，并且主要以含硫次级代谢物和含硫蛋白质的形态发挥功能。其中，硫代葡萄糖苷 (硫苷) 和谷胱甘肽是植物重要的含硫次级代谢物。作为一种重要的抗氧化剂，谷胱甘肽赋予细胞氧化还原稳定性，有助于细胞成分的组装、含硫代谢物的生物合成、潜在有害化合物的灭活以及激素信号强度的控制。硫苷的代谢产物则在植株病虫害防御，尤其是菌核病防御中同样具有重要作用。然而，植物中关于硫代谢的调节因子以及其调控机制的研究仍然有限。

近日，华中农业大学油菜团队杨光圣教授课题组，在JIPB在线发表了题为“Zinc finger transcription factors BnaSTOP2s regulate sulfur metabolism and confer Sclerotinia sclerotiorumresistance in Brassica napus”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.13801)，揭示了BnaSTOP2参与调控硫代谢并赋予甘蓝型油菜菌核病抗性。

课题组利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，定向敲除甘蓝型油菜BnaSTOP2的六个拷贝，获得Bnastop2纯合突变体。由于硫代谢与根系的生长有明确的关联，首先观察了Bnastop2突变体根系在不同含硫水平下持续2周的生长情况，发现在缺硫 (S0, 0 μM) 或高硫 (S100, 100 μM) 的条件下，野生型相对于Bnastop2突变体对硫酸盐浓度变化更敏感。进一步互作蛋白筛选与验证表明BnaA02.1.STOP2与参与硫代谢不同阶段的蛋白广泛互作，表明BnaSTOP2可能是参与调控硫代谢的关键调节因子之一。

进而对Bnastop2敲除突变体进行代谢物分析，发现与野生型相比，突变体的根和叶中关键硫代谢产物 (硫苷和谷胱甘肽) 含量均显著下降，这与分别参与硫苷合成和转运的重要基因BnaMYB28s和BnaGTR2s的转录水平显著降低一致。由于根部和角果分别被认为是硫代谢关键的“源”和“库”，研究对Bnastop2敲除突变体的根部和角果分别进行转录组分析，结果发现BnaSTOP2的敲除会显著影响这两个部位中硫代谢通路的基因表达。菌核病接种实验发现，与野生型相比，BnaSTOP2过表达突变体叶片病斑面积显著减小，而Bnastop2敲除突变体病斑面积则显著增大。而且，Bnastop2叶片中与菌核病抗性正相关的3-(甲硫基)丙基硫苷 (Glucoiberverin) 和2-苯乙基硫苷 (Gluconasturtiin) 含量亦显著降低，表明BnaSTOP2可能通过调节3-(甲硫基)丙基硫苷和2-苯乙基硫苷的积累参与菌核病抗性调节。综上，该研究揭示了BnaSTOP2全局调节硫代谢的生物学功能，并在油菜菌核病抗性建立中发挥了重要作用，为今后研究作物硫代谢调控和抗病改良提供了新的见解。

图1. BnaSTOP2参与调控油菜硫代谢和菌核病抗性的分子机制

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室博士研究生戴丽红和已毕业博士谢钊启 (现为中国科学院庐山植物园助理研究员) 为该论文的共同第一作者，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室洪登峰教授与杨光圣教授为该论文的共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划项目 (2022YFD1200400) 和现代农业产业技术体系建设专项等项目的资助 (CARS-12)。

文章引用：

Dai, L., Xie, Z., Ai, T., Jiao, Y., Lian, X., Long, A., Zhang, J., Yang, G., and Hong, D. (2024). Zinc finger transcription factors BnaSTOP2s regulate sulfur metabolism and confer Sclerotinia sclerotiorum resistance in Brassica napus. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13801

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