苹果MdXTH15基因通过调控木葡聚糖内转糖基酶/水解酶增强植物抗逆性研究

本研究针对苹果产业面临干旱、盐碱及病原菌胁迫导致减产的问题，开展了MdXTH15基因功能解析的主题研究。通过克隆获得含GH16-XET保守结构域的MdXTH15基因，发现其过表达可显著增强苹果愈伤组织和拟南芥对NaCl、PEG 6000及病原菌的抗性，并降低MDA和H2O2含量。该研究为苹果抗逆育种提供了新靶点和理论依据。

　　

在中国农业经济中，苹果作为重要经济作物占据着举足轻重的地位，不仅是农民主要收入来源，更是乡村振兴战略的关键产业。然而近年来，干旱、盐碱、低温等非生物胁迫以及苹果锈病、白粉病等生物胁迫严重制约着苹果的产量与品质提升。面对这些挑战，植物虽然进化出多种内在防御机制，但作为植物第一道防线的细胞壁如何响应胁迫的分子机制尚不明确。

细胞壁作为植物细胞的 outermost protective layer（最外层保护层），主要由纤维素、半纤维素和果胶构成。其中木葡聚糖(xyloglucan)作为高等植物细胞壁半纤维素的主要成分，不仅为细胞壁提供机械支撑，还限制细胞生长。XTH基因家族成员通过编码具有糖基转移酶/水解酶活性的蛋白质，介导木葡聚糖链的断裂和重排，从而参与植物细胞壁的重塑过程。以往对苹果XTH基因家族的研究多集中于果实软化调控，如MdXTH2和MdXTH10在乙烯信号转导中发挥作用，但其在抗逆方面的功能仍属空白。

为解决这一科学问题，山东农业大学园艺科学与工程学院的研究团队在《Horticultural Plant Journal》发表了最新研究成果。他们成功从苹果基因组中分离出MdXTH15基因，发现该基因包含高度保守的GH16-XET结构域，在苹果茎部表达量最高，且能响应外界非生物胁迫处理。通过亚细胞定位分析发现该蛋白定位于质膜，过表达该基因能显著增强苹果和拟南芥对非生物胁迫和病原菌的抗性。

研究人员运用了多项关键技术方法：通过生物信息学网站（PSIPRED、SOPMA、NCBI、SWISS-MODEL）进行蛋白结构预测和保守域分析；利用农杆菌介导法获得MdXTH15过表达苹果愈伤组织和拟南芥株系；采用qRT-PCR技术检测基因表达模式；使用激光共聚焦显微镜进行亚细胞定位；通过生理指标（MDA含量、相对电导率、H₂O₂和O₂^-含量）测定评估抗逆性；应用病原菌（B.dothidea和Pst DC3000）接种实验评价抗病性。

研究结果方面：

3.1. Bioinformatics analysis and evolutionary tree of MdXTH15

研究发现MdXTH15基因长度为828 bp，编码276个氨基酸的蛋白质，与拟南芥AtXTH15具有相同的保守结构域GH16-XET。二级结构分析显示该蛋白含11.64%α螺旋、32.00%延伸链和56.36%无规则卷曲。三级结构预测表明MdXTH15与AtXTH15高度重叠，提示功能相似性。系统进化分析发现与22个品种的XTH15蛋白亲缘关系密切，包括Prunus yedoensis、Fragaria vesca subsp等，序列比对显示不同物种间XTH15具有高度相似性。

3.2. Expression pattern and Subcellular localization of MdXTH15

启动子顺式作用元件分析发现MdXTH15包含MeJA、低温、干旱和ABA响应元件。表达模式分析显示，ABA处理下MdXTH15表达量在0-6小时逐渐上升，48小时达到峰值；NaCl处理1小时表达量最高；PEG 6000处理下表达量先降后升，24小时显著增加。组织特异性表达分析表明该基因在根中表达最低，茎中表达最高。亚细胞定位实验证实MdXTH15定位于细胞质。

3.3. MdXTH15 enhanced resistance to ABA, NaCl, and PEG 6000 in apple calli

获得MdXTH15过表达苹果愈伤组织后，研究发现其在含100 mmol·L^-1 NaCl和4% PEG 6000的培养基上鲜重显著高于野生型，但在ABA培养基上鲜重较小，表明过表达增强了ABA敏感性。生理指标检测显示过表达愈伤组织的MDA含量和相对电导率低于野生型，说明MdXTH15过表达能通过降低细胞膜透性和过氧化物水平减轻外界伤害。

3.4. Ectopic expression of MdXTH15 in Arabidopsis enhances resistance to drought and salt

在拟南芥中异源过表达MdXTH15后，发现在含100 mmol·L^-1 NaCl和4% PEG 6000的培养基中过表达株系根长大于野生型，但在ABA培养基中根长短于野生型。大苗干旱和盐处理实验表明，过表达株系的叶绿素含量高于野生型，而MDA、H₂O₂和O₂^-含量低于野生型，证实MdXTH15能增强拟南芥对干旱和盐胁迫的抗性。

3.5. MdXTH15 increases resistance to pathogen in Arabidopsis and apple calli

病原菌接种实验显示，过表达MdXTH15的苹果愈伤组织在接种B.dothidea后病斑面积小于野生型，O₂^-和MDA含量较低，且抗病相关基因MdPR1、MdNPR1和MdPAD4表达上调。拟南芥接种Pst DC3000实验表明，过表达株系的NBT和DAB染色面积和强度显著增加，叶绿素含量高于野生型，说明MdXTH15能增强植物对病原菌的抗性。

研究结论与讨论部分指出，该研究首次揭示了苹果MdXTH15基因在抗逆方面的功能。与以往专注于果实软化的研究不同，本研究发现了MdXTH15通过调控细胞壁重塑增强植物对干旱、盐胁迫和病原菌的抗性。研究人员推测MdXTH15可能通过提高木质素含量增加细胞壁厚度，从而增强抗逆性，这与在番茄中SIXTH19通过协调木质素介导细胞壁重塑过程的结果一致。此外，研究发现过表达MdXTH15能上调多种抗逆相关基因（如MdSOS1和MdDREB2A）的表达，蛋白质互作网络预测显示其互作蛋白多数与液泡相关。

该研究的重要意义在于为苹果抗逆育种提供了新的基因靶点和理论依据，阐明了细胞壁水平上抗逆的分子机制，为研究XTH基因家族在苹果中的功能提供了新视角。通过基因工程手段提高MdXTH15表达水平，有望培育出具有更强抗逆性的苹果新品种，对于保障苹果产业可持续发展、提高果实品质和产量具有重要应用价值。