木质素生物合成的遗传解析揭示了高地棉花抗轮枝菌枯萎病机制中不同的调控因子

《Plant Science》：Genetic Dissection of Lignin Biosynthesis Reveals Divergent Regulators of Verticillium Wilt Resistance in Upland Cotton

　　

杨照光|刘世明|徐慧|朱龙福

中国新疆石河子市石河子大学农学院张显龙院士的工作室，邮编832003

摘要

木质素是次生细胞壁的关键组成部分，能够增强植物的防御能力并在免疫中发挥重要作用。尽管表达谱分析已经确定了许多参与棉花木质素生物合成和调控的基因，但控制木质素合成的关键遗传位点和调控因子仍知之甚少。在这项研究中，我们对290个棉花品种进行了全基因组关联研究（GWAS），使用已建立的统计模型来识别与12个木质素相关性状相关的遗传变异。我们发现了34个与六个木质素相关性状相关的位点，从而加深了对这些性状遗传基础的理解。其中，S单体及其复合性状——HS（H和S单体的总和）、GS（G和S单体的总和）以及HGS（H、G和S单体的总和）在A01、A07、A08和D12染色体上表现出共定位信号。值得注意的是，11个基因中的24个显著单核苷酸多态性（SNPs）与木质素含量显著相关，这表明该性状存在显著的等位基因变异。功能分析显示，GhLCBK1、GhD13G1741和GhERG2基因既影响木质素的合成，也影响棉花对Verticillium dahliae的抗性。本研究为木质素合成和培育抗病棉花提供了宝贵的基因资源和分子标记，有助于棉花生产的可持续发展。

引言

棉花是一种主要的经济作物，是天然纤维和植物油的主要来源，在全球经济中具有重要地位。由土壤传播的真菌Verticillium dahliae引起的枯萎病是棉花及其他关键作物可持续生产的主要限制因素（Li等人，2019年）。该病原体在接触宿主根部后分化出附着器，随后形成感染钉（Zhao等人，2016年）。这些结构有助于其侵入维管系统，导致定殖、维管阻塞以及水分和养分运输受阻。这一过程会导致典型的症状，包括黄化、萎蔫、坏死和落叶，在严重情况下甚至会导致植物死亡（Fradin和Thomma，2006年；Klosterman等人，2009年；Zhou等人，2017年）。目前，枯萎病已成为棉花生产稳定发展的重大瓶颈。

木质素是植物细胞壁的重要组成部分，在提供结构支持和增强抗病性方面起着关键作用（Hu等人，2021年；Xiao等人，2023年；Ma等人，2024年；Xiao等人，2024年）。其疏水性形成了一道物理屏障，有助于植物的防御（Bhuiyan等人，2009年；Xu等人，2011年；Zhao和Dixon，2014年；Cao等人，2022年；Huang等人，2023年），并且还直接参与免疫反应。在高等植物中，木质素单体主要由三种类型组成：来自对香豆醇的p-羟基苯（H）单元、来自松油醇的桂酰（G）单元以及来自芥子醇的丁香酚（S）单元（Boerjan等人，2003年）。双子叶植物主要含有G型和S型木质素，H型单元的比例不到5%（Dixon和Barros，2019年）。

大量研究表明，木质素代谢与棉花对枯萎病的抗性之间存在正相关。抗病海岛棉品种的根部和茎部维管束中的木质素含量明显高于易感陆地棉品种（Xu等人，2011年；Zhang等人，2012年）。大多数与木质素相关的基因的表达水平与抗病性呈正相关（Xiao等人，2023年）。例如，GbERF1-like基因通过激活木质素生物合成基因GhHCT1来增强抗性（Guo等人，2016年）。同样，GhLac1的过表达会增加木质素含量并激活茉莉酸途径，从而提高对V. dahliae和昆虫害虫的抗性（Hu等人，2018年）。木质素单体的组成和含量的变化也会影响植物的免疫力。S型木质素单体的增加可以提高对病原体的抗性（Barbara Menden等人，2007年；Gallego-Giraldo等人，2018年）。相反，木质素含量的降低会损害细胞壁的完整性，触发与防御相关的壁重塑信号（Gallego-Giraldo等人，2018年；Hu等人，2018年）。

木质素生物合成涉及莽草酸途径和苯丙素途径，是一个在转录和转录后水平上都被调控的复杂过程。其沉积通常由生物和非生物胁迫诱导（Cesarino等人，2019年；Keppler等人，2025年；Hua等人，2025年；Liu等人，2025年）。木质素合成的遗传结构非常复杂，相关基因分布在多个染色体上。这种分散性使得确定木质素含量与抗病性之间的明确遗传关系变得复杂。此外，木质素合成在苯丙素途径中与其他防御性次生代谢物的代谢流竞争，影响其分配，从而共同作用于综合抗逆性（Tang等人，2019年；Chen等人，2021年；Xiao等人，2021年）。例如，在Medicago sativa ccoaomt突变体中，木质素合成受损导致G型和S型单元含量减少，但抗感染能力增强，因为前体物质被重新定向到黄酮类和黄酮醇中（Gill等人，2018年）。

全基因组关联研究（GWAS）通过识别可能同时影响抗病性的遗传位点，为解析木质素合成的复杂性提供了强有力的方法。例如，对GhCOMT基因家族的GWAS揭示了影响木质素含量和组成的变异（Wu等人，2021年）。类似地，研究还发现了关键与木质素相关的基因，如GhWRKY55，该基因在V. dahliae接种后会在抗病棉花中受到抑制（Ma等人，2024年），以及GhLAC14-3，它促进木质化并增强抗性（Cheng等人，2025年）。然而，将木质素合成基因与陆地棉抗枯萎病性联系起来的全面遗传分析仍缺乏。因此，我们利用陆地棉的自然种群进行了GWAS，以识别与木质素相关性状相关的遗传位点和调控因子。通过分析与木质素含量相关的等位基因变异，我们鉴定并表征了候选基因。本研究旨在阐明木质素代谢与抗枯萎病性之间的遗传关联，为未来的遗传改良策略提供依据。

章节片段

植物材料和生长条件

本研究使用了我们团队之前重新测序的290个陆地棉品种的自然种群（Wang等人，2017年；Liu等人，2021年；Zhang等人，2025年）。2020年，这些种子在华中农业大学的智能温室中，在受控条件下（28°C，16小时光照/8小时黑暗周期）进行播种。每个品种分别种植在装有直径为30毫米的盆栽土（1:1（体积比）的蛭石和营养土混合物的育苗盘中。每个盆栽中播种了两粒种子

陆地棉自然种群中的木质素相关性状

为了表征陆地棉中木质素相关性状的自然变异和遗传结构，我们对重新测序的自然种群进行了组织化学染色和定量表型分析。对下胚轴横截面的组织化学检查显示，在4至5叶阶段，次生细胞壁中的木质素沉积存在可遗传的差异。定量评估表明，下胚轴中的木质素主要由G型（14.3-23.7毫克/克干重）组成

讨论

作为主要栽培的棉花物种，了解Gossypium hirsutum的抗枯萎病机制对于育种改进至关重要。木质素是植物细胞壁的关键结构成分，在增强机械强度和抵御病原体入侵方面起着核心作用（Zhong等人，2019年；Uddin等人，2025年；Song等人，2025年；Hua等人，2025年；Tan等人，2026年）。细胞壁的组成，特别是木质素的S/G比例

结论

在这项研究中，我们对棉花的12个木质素含量及相关性状进行了GWAS分析，鉴定出34个关键位点和11个影响木质素生物合成的候选基因。通过VIGS沉默候选基因GhLCBK1、GhERG2和GhD13G1741，显著减少了棉花的木质素沉积。沉默GhD13G1741和GhLCBK1后，相关木质素合成基因的表达也减少了。而在沉默GhERG2后，漆酶家族基因的表达也减少了（该基因家族是

(Bubna等人，2011年)

CRediT作者贡献声明

刘世明：资源、方法学、数据管理。徐慧：写作——审稿与编辑。杨照光：写作——初稿、方法学、正式分析、数据管理、概念构思。朱龙福：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了新疆人才发展基金对XL Zhang（XL202401-03）的支持，以及国家自然科学基金青年科学基金（32301891）和湖北省科技计划技术创新项目（2025BBB017）的资助。