新疆生地所在利用荒漠植物基因提高棉花黄萎病抗性育种研究中取得进展

　　

????棉花是全球最重要的经济作物之一，却长期遭受黄萎病（棉花癌症）的致命威胁。黄萎病由土传真菌大丽轮枝菌引发，其微菌核可在土壤中潜伏数十年，寄主范围广、致病性持续进化，化学防治收效甚微。同时，栽培棉遗传多样性极度狭窄，抗病基因资源严重匮乏，“抗病不高产、高产不抗病”成为长期无法突破的育种瓶颈。如何找到既能抗黄萎、又不牺牲产量的突破性基因，是全球棉花育种核心的科学难题。

????针对上述问题，中国科学院新疆生态与地理研究所张道远研究员团队，利用荒漠极端耐旱苔藓中挖掘出被子植物缺失的古老抗逆基因ScALDH21，并转化棉花，获得稳定遗传株系，通过多年室内和大田实验验证其黄萎病表型，并系统解析异源基因改良棉花抗病高产的全新机制。

????研究结果表明，ALDH21亚家族是仅存在于低等植物与少数原始生物，在被子植物（棉花、水稻、小麦等）中完全缺失，来自新疆古尔班通古特沙漠的极端耐旱苔藓齿肋赤藓（Sytrichia caninervis）ScALDH21基因是极具价值的抗逆基因。实验室接种大丽轮枝菌实验显示，转基因株系的茎内真菌载量显著低于非转基因对照，叶片黄化萎蔫症状、维管束堵塞程度明显减轻；接种后株高与叶片生物量显著高于对照，同时发病率与病情指数显著降低，证实ScALDH21可显著提升棉花对黄萎病的抗性。进一步南疆、北疆多年多点大田实验证实该转基因棉花的抗病性大幅提升：发病率降低 57.8%，病情指数下降 45.8%，小区产量提升 23.8%。并且转基因棉花的纤维长度、强度、伸长率等关键指标均优于对照棉花。ALDH21是醛脱氢酶基因，进一步抗性分子机制研究结果：该转基因棉花通过构建 “三重防御 + 转录重编程”实现黄萎病抗性。主要包括底层防御加强：醛解毒+ROS清除清除毒性醛，降低氧化损伤；大幅提升POD/SOD/APX 抗氧化酶活性；降低H₂O₂积累。免疫激素通路激活：茉莉酸（JA）通路全面启动JA 合成关键基因显著上调，JA及其活性衍生物含量显著提升；解除JAZ抑制、激活MYC转录因子，强力启动真菌免疫。苯丙烷通路PAL、4CL、CHS、ANS 等抗病核心基因显著上调表达，木质素沉积增加 17%–66%，加固细胞壁物理屏障；芦丁、矢车菊素、槲皮素等抗菌黄酮大量积累，形成化学防御网。

????本研究进一步揭示了ScALDH21是双功能蛋白兼具醛脱氢酶活性和转录因子调节功能：ScALDH21可直接结合JA与苯丙烷通路基因启动子，调控基因表达，从染色质水平全局调控抗病与生长。该成果不仅为棉花抗黄萎病育种提供优异基因资源，更证实了极端抗逆荒漠植物的特有基因，可在棉花中实现功能迁移与高效利用，为全球粮食与经济作物抗性育种提供新的思路和重要借鉴。

????以上研究成果以“Ectopic expression of ScALDH21 from a desert moss enhances cotton resistance to Verticillium wilt via the modulation of jasmonates and phenylpropanoid pathways”为题发表于《Plant Biotechnology Journal》。中国科学院新疆生态与地理研究所杨红兰研究员和李小双研究员为论文共同第一作者，张道远研究员和华中农业大学金双侠教授为论文通讯作者。博士生张建伟和阿尔古丽·加玛哈特等参与该研究。该研究得到国家自然科学基金、中国科学院基础研究领域青年团队稳定支持计划、新疆维吾尔自治区“天山英才”培养计划等项目资助。

????全文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70669

图1：转ScALDH21基因棉花在黄萎病圃中的表现?

图2：基于转录组和CUT&Tag技术揭示ScALDH21在棉花中的转录调节功能

图3：大丽轮枝菌侵染下，转ScALDH21基因棉花生长与防御响应协同调控模式图