甘蔗异分支酸合酶基因家族的全基因组分析与功能研究：揭示其在抗病性中的关键作用

本研究针对甘蔗抗病机制不明的问题，系统鉴定了甘蔗异分支酸合酶(ICS)基因家族成员，揭示了其通过全基因组复制(WGD)扩张及纯化选择的进化特征，证实ScICS通过激活水杨酸(SA)合成途径增强烟草对Fusarium solani var. coeruleum的抗性，为甘蔗抗病育种提供了重要靶点。

　　

甘蔗作为全球重要的糖料和能源作物，长期受到甘蔗黑穗病(Sporisorium scitamineum)等病害威胁，造成高达30%的产量损失。尽管水杨酸(SA)信号通路在植物抗病中起核心作用，但甘蔗中催化SA合成的关键酶——异分支酸合酶(Isochorismate synthase, ICS)基因家族尚未被系统研究。由于现代甘蔗品种是异源多倍体，其基因组复杂性为基因功能解析带来巨大挑战。

华南农业大学的Zeng Zhen团队在《The Crop Journal》发表研究，首次对甘蔗ICS基因家族进行全基因组尺度分析。研究结合生物信息学与实验验证，从野生种AP85-441(S. spontaneum)和栽培种XTT22、ZZ1中鉴定出96个ICS基因，发现其通过WGD/segmental duplication扩张并受强纯化选择。通过克隆关键基因ScICS，证实其与转录因子ScMYB互作，且受ScWRKY28正向调控。转基因烟草实验显示ScICS过表达能显著提升SA含量并激活PR基因表达，增强对Fusarium solani var. coeruleum的抗性。

关键技术包括：基于TBtools-II的基因家族分析、IP-MS筛选互作蛋白、酵母双杂交(Y2H)和荧光互补(LCI)验证蛋白互作、AlphaFold 3预测结合位点、烟草稳定遗传转化体系。研究使用甘蔗品种XTT22(感病)和YT93-159(抗病)作为材料，接种黑穗病菌后取样进行转录组分析。

3.1 ICS基因家族鉴定与理化特征
从三个甘蔗基因组中鉴定出18-42个ICS基因，染色体定位显示不均匀分布。亚细胞定位预测显示81.25%的ICS蛋白定位于叶绿体，与SA合成场所一致。

3.2 进化特征分析
系统发育树将ICS分为三大类群，单子叶与双子植物ICS形成独立分支。Ka/Ks分析显示78.45%的同源基因对受纯化选择，WGD是主要扩张方式。

3.7 ScICS基因功能验证
克隆的ScICS与栽培种ZZ1中响应黑穗病的SzICS10/11高度同源(>98%)。亚细胞定位证实其叶绿体特异性，表达分析显示其在感病品种中响应更快(36h vs 抗病种48h达峰)。

3.9 ScICS-ScMYB互作机制
IP-MS筛选出46个候选转录因子，Y2H和LCI证实ScMYB与ScICS特异性结合。AlphaFold 3预测出9个关键相互作用位点，如ScICS的Glu¹⁹⁶
与ScMYB的Arg³⁰²
形成盐桥。

3.10 ScWRKY28的转录调控
启动子分析发现W-box(TGACT)元件，Y1H和双荧光素酶实验证明ScWRKY28通过结合该元件激活ScICS表达，与拟南芥AtWRKY28-AtICS1调控模块保守。

3.11 转基因烟草抗病表型
过表达ScICS的烟草叶片病斑面积减少50%，SA含量提升2.1倍，PR-1/PR2-F表达量上调4-8倍，同时降低H₂
O₂
和O₂
^-
积累。

该研究首次解析了甘蔗ICS基因家族的进化规律与功能分化，揭示了"ScWRKY28-ScICS-SA"抗病通路在单子叶植物中的保守性。特别值得注意的是，感病品种中ScICS的快速诱导表达可能是一把双刃剑，或与病原体效应蛋白的操纵有关。研究为甘蔗抗病育种提供了两类靶点：核心抗病基因ScICS及其上游调控因子ScWRKY28。由于甘蔗遗传转化困难，作者创新性地采用烟草模型验证基因功能，为复杂作物基因功能研究提供了范式。未来需进一步解析ScICS-ScMYB互作对酶活性的影响，以及多倍体背景下不同ICS等位基因的功能冗余与分化。