光合系统扰动通过滞绿突变赋予等位基因依赖性防御：应对不同生活型病原体感染及非生物胁迫耐受性的机制解析

本研究系统解析了黄瓜CsSGR基因突变（A323G SNP和SGRΔ37敲除）通过干扰光合系统功能，实现多病原抗性（MDR）和低温耐受性的双重效应。研究发现突变体通过抑制叶绿素降解基因（CCGs）表达延缓衰老（被动防御），同时激活ROS介导的逆行信号触发SA/JA通路（主动防御），为作物抗病育种提供了新靶点。

　　

引言

滞绿（Staygreen）性状是植物衰老过程中叶片保持绿色的重要农艺性状。黄瓜CsSGR基因编码镁脱螯合酶，在叶绿素（Chl）降解途径中起核心调控作用。前期研究发现CsSGR基因内A323G非同义单核苷酸多态性（SNP）与多病抗性（MDR）相关，但具体机制未知。本研究通过构建近等基因系（NILs）和CRISPR-Cas9基因敲除突变体（SGRΔ37），系统解析了CsSGR突变在生物/非生物胁迫中的功能。

材料与方法

研究团队通过标记辅助回交培育了携带抗病等位基因（Cssgr）和感病等位基因（CsSGR）的NILs，并利用CRISPR-Cas9技术获得SGRΔ37突变体（37-bp缺失）。通过表型鉴定、转录组分析、酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）和免疫共沉淀（Co-IP）等技术，系统评估了突变体对5种不同生活型病原体的抗性及低温耐受性。

结果

3.1 Cssgr介导的MDR与叶绿素降解延缓及活性氧积累减少相关

NIL-R（抗病型）在接种霜霉菌（Pcu）、炭疽菌（Cor）和角斑病菌（Psl）后，相较于NIL-S（感病型）表现出显著降低的叶绿素降解速率和叶片黄化程度。病原诱导的叶绿素降解基因（CsSGR、CsPPH）表达在NIL-R中被抑制，PSII最大光化学效率（Fv/Fm）维持更高水平。同时，NIL-R中过氧化氢（H₂O₂）积累和细胞死亡显著减少，表明抗病性与氧化应激缓解密切相关。

3.2 基因敲除突变体增强MDR与低温耐受性

SGRΔ37突变体在成熟期呈现明显滞绿表型，且对多种病原体的抗性显著高于A323G SNP突变体。在低温胁迫（13/10°C）下，SGRΔ37突变体叶片黄化程度轻，损伤评分更低，表明其具有更强的非生物胁迫耐受性。重要的是，突变体在产量相关农艺性状上未出现显著劣势，证实其育种应用潜力。

3.3 转录组重构揭示等位基因依赖的防御网络

转录组分析发现，SGRΔ37突变体中光合作用相关基因（如LHCAs、LHCBs）表达上调，而衰老相关基因（SAGs）和叶绿素降解基因（CCGs）表达受抑。共表达模块分析显示，抗病株系通过激活水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）信号通路关键基因（如NPR3、MYC2），同时抑制细胞死亡正调控因子（如NAC019），构建了主动防御体系。值得注意的是，病原体生活型影响防御应答模式：针对半活体营养型病原体Cor，SA通路在生物营养阶段激活，而JA通路在坏死营养阶段主导应答。

3.4 CsSGR突变破坏蛋白互作网络

蛋白互作实验表明，CsSGR野生型（WT）可与自身、叶绿素降解酶（CCEs）、光捕获复合蛋白（LHCB1s）及叶绿素稳态调控因子CsBCM发生相互作用。A323G突变（Q108R）显著减弱这些互作，而SGRΔ37突变则完全破坏互作能力。三维结构预测显示，Δ37突变导致C端结构域缺失，影响二聚体形成及功能复合物组装。

讨论

4.1 强等位基因通过基因编辑增强抗性

SGRΔ37突变体相较于A323G SNP表现出更显著的滞绿表和抗性增强，证实基因编辑创制强等位基因的可行性。突变体通过维持光合能力延缓衰老（被动防御），同时激活ROS介导的逆行信号触发SA/JA通路（主动防御），形成双重防护机制。

4.2 叶绿体逆行信号桥接生物与非生物胁迫应答

本研究提出修正模型：CsSGR突变通过扰动光合电子传递链（ETC）产生ROS，进而激活叶绿体到细胞核的逆行信号（RS），调控SA/JA通路基因表达。该机制不仅适用于病原侵染，也延伸至低温胁迫响应，为理解光合系统扰动与广谱抗性关联提供了新视角。

结论

CsSGR作为叶绿素降解途径的关键调控因子，其突变可通过等位基因依赖性方式调控光合系统功能，实现多病原抗性与非生物胁迫耐受性的协同提升。该研究为作物抗性育种提供了新策略，提示光合系统相关基因突变可作为MDR的重要来源。