植物钠尿肽GhEG45通过调控水杨酸信号和活性氧代谢增强棉花对黄萎病的抗性机制研究

本研究针对棉花黄萎病抗性机制缺失问题，通过分子生物学与转录组学技术，发现GhEG45基因通过激活水杨酸(SA)信号通路、调控活性氧(ROS)代谢和细胞壁强化，显著增强棉花对Verticillium dahliae的抗性。该研究为作物抗病育种提供了新靶点。

　　

棉花作为全球最重要的天然纤维作物，其生产长期受到黄萎病的严重威胁。这种由大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)引起的土传病害，能通过根系侵入棉花维管系统，导致叶片黄化、萎蔫甚至植株死亡。由于病原菌能以微菌核形式在土壤中长期存活，传统防治手段效果有限，培育抗病品种成为最可持续的解决方案。然而，现代栽培棉种对黄萎病的抗性机制尚未完全阐明，这使得抗病育种工作面临巨大挑战。

植物钠尿肽(PNPs)是一类与脊椎动物心房钠尿肽同源的信号分子，近年来被发现参与植物逆境响应和免疫调控。研究表明PNPs能调节气孔开闭、离子平衡和活性氧代谢，但其在棉花抗病中的作用仍属未知。本研究首次在棉花中鉴定到一个EG45家族基因GhEG45，通过多学科方法揭示了其在黄萎病抗性中的核心作用。

研究团队采用RT-qPCR、病毒诱导基因沉默(VIGS)、转基因过表达、转录组测序和生化分析等技术手段。实验材料以抗病品种中棉2号(Gossypium hirsutum cv. Zhongzhimian 2)为主，通过农杆菌介导法获得转基因拟南芥和棉花株系。关键实验包括：GhEG45组织特异性表达分析、病原/激素处理下的时序表达检测、亚细胞定位观察、离子色谱分析钠钾含量、抗氧化酶活性测定、过氧化氢含量检测以及真菌生物量定量分析。

GhEG45的分子特征与表达模式

GhEG45编码一个135氨基酸的分泌蛋白，具有典型的双β-桶状结构(DPBB-1)。系统进化分析显示其与拟南芥AtPNP-A高度同源。组成型表达分析发现该基因在叶片中表达量最高，较根和茎高出3倍以上。经水杨酸(SA)、过氧化氢(H₂O₂)、脱落酸(ABA)处理和机械损伤后，GhEG45表达显著上调，其中SA处理6小时后表达量增加16.7倍，H₂O₂处理1小时后激增8.9倍。接种大丽轮枝菌后呈现持续诱导表达模式，24小时达峰值。亚细胞定位证实GhEG45定位于细胞壁/质外体空间。

基因沉默导致抗性丧失

通过VIGS技术沉默GhEG45后，棉花对黄萎病的敏感性显著增强。沉默植株出现严重萎蔫和坏死，病指升高，真菌生物量增加。离子色谱分析发现沉默植株钾钠比(K⁺/Na⁺)显著下降，抗氧化酶活性(POD、SOD、CAT)降低，而过氧化氢(H₂O₂)过量积累。组织染色显示维管褐变加重，病原分离培养证实菌丝增殖增强。

过表达增强抗病性

在拟南芥和棉花中过表达GhEG45均显著增强了对黄萎病的抗性。转基因植株症状轻微，病指和真菌生物量显著降低。电镜观察发现过表达植株细胞壁增厚，木质素沉积增加。离子分析显示钠离子(Na⁺)含量升高而钾钠比下降。抗氧化酶系统被激活，H₂O₂含量维持在较低水平。

转录组揭示调控网络

转录组分析发现GhEG45通过多途径调控抗病反应。GO富集显示氧响应、质体类囊体膜等过程被激活；KEGG分析表明植物-病原互作、MAPK信号、苯丙烷生物合成等通路显著富集。共表达网络鉴定出23个枢纽基因，包括JAZ5、LOX3、PUB17等激素信号元件。

SA信号通路激活

GhEG45正向调控水杨酸(SA)信号途径。沉默植株中PR1、PR5、EDS1等防御基因表达下调；而过表达植株中NPR1、PAD4、TGA7等关键信号元件显著上调，证实GhEG45通过增强SA信号传导强化免疫响应。

ROS稳态调控

GhEG45通过调节抗氧化基因表达维持活性氧(ROS)平衡。沉默植株中POD1、SOD1、GST1表达降低，导致H₂O₂积累；而过表达植株中POD4、RbohD、CAT2等基因上调，实现ROS产生与清除的精细平衡。

本研究系统揭示了GhEG45通过协同调控SA信号、ROS代谢和离子稳态增强棉花黄萎病抗性的分子机制。该基因不仅能激活PR基因表达和抗氧化系统，还参与细胞壁强化和钠离子调节，形成多层次的防御网络。虽然GhEG45具有植物钠尿肽的典型特征，但其精确的生化分类仍需进一步研究。该发现为理解植物肽激素在免疫中的作用提供了新视角，为棉花抗病育种提供了有价值的候选基因。研究结果发表于《Journal of Cotton Research》，对推进作物抗病机制研究和可持续农业实践具有重要意义。