甘蔗III类过氧化物酶家族基因组景观解码及ScPOD01免疫功能解析

《Plant Stress》：Decoding the genomic landscape of class III peroxidase family in Saccharum officinarum and the immune role of ScPOD01

本研究针对甘蔗黑穗病抗性机制不明及III类过氧化物酶(POD)家族系统研究空白的问题，通过对甘蔗祖本种(Saccharum officinarum)开展全基因组尺度POD家族进化分析，发现174个SoPOD基因通过全基因组复制扩张，其启动子富含激素响应元件。转录组分析揭示SoPOD30在抗病品种中特异性诱导表达，其同源基因ScPOD01被证实具有质膜定位特性，能通过激活H2O2积累和水杨酸(SA)通路引发免疫反应。该研究为甘蔗抗病育种提供了新靶点，对保障糖业安全具有重要意义。

　　

在全球糖业格局中，中国作为第三大产糖国正面临严峻的产业挑战——2024年国内蔗糖产量881万吨的同时仍需进口435万吨，暴露出显著的供给缺口。这种结构性失衡将国家糖业安全置于压力之下，而甘蔗黑穗病(Sporisorium scitamineum)作为毁灭性真菌病害，正是制约甘蔗产量的关键生物因素。面对甘蔗生长周期长、生物量高的特性，培育抗病品种成为最可持续的防控策略，但高度复杂的多倍体基因组却为传统育种设置了重重障碍。

在这场甘蔗与病原菌的军备竞赛中，III类过氧化物酶(class III peroxidases, PODs)作为植物免疫系统的多功能武器引起了研究者关注。这类酶不仅能通过过氧化物依赖的催化循环维持细胞内氧化还原稳态，还参与细胞壁延伸、木质素聚合以及病原菌防御等关键生理过程。尽管在拟南芥、水稻等模式植物中POD基因家族的功能已有较多报道，但在基因组结构复杂的甘蔗中，这一基因家族的进化历程和免疫功能仍如迷雾般未被揭示。

为解开这一谜题，福建农林大学的研究团队在《Plant Stress》上发表了最新研究成果。研究人员首先监测了8个不同抗性甘蔗基因型在黑穗病菌侵染过程中的POD酶活性动态，发现所有基因型均出现活性升高，但呈现"持续上升"或"升降交替"等不同模式，暗示其参与基础免疫应答。随后团队利用甘蔗祖本种LA-purple基因组数据，系统鉴定了174个SoPOD基因，发现它们通过全基因组/片段复制(83.90%)显著扩张，且94.74%的同源基因对受到纯化选择压力。这些基因的启动子区域富含茉莉酸甲酯(MeJA)、脱落酸(ABA)等激素响应元件，为它们的应激响应功能提供了线索。

关键技术方法包括：基于隐马尔可夫模型的基因家族鉴定、系统进化和共线性分析、转录组测序(涵盖组织特异性、黑穗病侵染、干旱和低温胁迫)、qRT-PCR验证、原核表达系统以及本氏烟瞬时表达体系。

研究结果揭示：

3.1. POD酶活性在黑穗病菌侵染甘蔗中升高

通过监测8个甘蔗基因型发现，接种黑穗病菌后所有基因型的POD活性均显著上升，但动态模式存在基因型差异，表明POD参与甘蔗对黑穗病的基础免疫响应。

3.2. 鉴定甘蔗SoPOD基因家族及其理化特性

从甘蔗祖本种基因组中鉴定出174个SoPOD基因，编码蛋白长度29.75-151.54kDa不等，其中87.93%含有信号肽，84.48%预测为胞外定位，符合III类POD的典型特征。

3.3. 染色体分布、系统进化、共线性和复制模式

SoPOD基因不均匀分布在63条染色体上，系统进化分析将其分为7个亚组，共线性分析显示与拟南芥和玉米分别存在6和66个共线性基因对，全基因组/片段复制是家族扩张的主要驱动力。

3.4. 保守基序、基因结构和顺式作用元件

SoPOD蛋白含有2-12个保守基序，大多数成员共享与POD活性和血红素结合位点相关的基序。启动子分析发现1,876个激素相关元件和572个生物/非生物胁迫响应元件。

3.5. SoPOD的组织特异性表达及其对黑穗病菌侵染的响应

转录组分析显示SoPOD表达具有组织特异性，根部表达基因最多(64个)。黑穗病菌侵染后，79个SoPOD基因差异表达，其中SoPOD30等6个基因仅在抗病品种中特异性上调。

3.6. SoPOD基因家族在干旱和低温胁迫下的表达模式

干旱胁迫下70个SoPOD基因响应，低温胁迫下34个基因差异表达，28个基因对三种胁迫均有响应，显示其广谱抗逆潜力。

3.7. 分离ScPOD01基因及其序列特征

从抗病品种崖城05-179中克隆获得SoPOD30的同源基因ScPOD01，该基因具有典型4外显子/3内含子结构，编码320个氨基酸的质膜定位蛋白。

3.8. ScPOD01在不同胁迫下的表达谱

qRT-PCR证实ScPOD01在黑穗病菌侵染及ABA、MeJA、H₂O₂、NaCl和PEG胁迫下均被诱导表达。

3.9. ScPOD01的原核表达未增强大肠杆菌的胁迫耐受性

虽然成功在大肠杆菌中表达ScPOD01蛋白，但未能提高细菌对NaCl、PEG或CuCl₂的耐受性，表明其功能可能依赖植物特异性环境。

3.10. ScPOD01的瞬时表达诱导本氏烟防御反应

在本氏烟中瞬时过表达ScPOD01导致H₂O₂积累加剧，超敏反应(hypersensitive response, HR)和水杨酸(salicylic acid, SA)相关基因上调，证实其激活植物免疫的能力。

在讨论部分，研究者深入分析了POD在甘蔗抗黑穗病中的重要作用，指出不同基因型POD活性动态差异可能反映了遗传背景对POD调控通路的精细调控。与二倍体模式植物相比，甘蔗POD基因家族的显著扩张(174个成员)与其多倍体基因组特性相符。特别值得注意的是，ScPOD01虽然在本氏烟中能激活免疫反应，但在原核系统中未增强胁迫耐受性，这种功能差异暗示其可能依赖植物特有的调控环境或辅因子。

该研究的创新性在于首次系统解析了甘蔗祖本种POD基因家族的进化格局和表达特性，并成功鉴定出ScPOD01这一具有免疫激活功能的关键基因。研究不仅为理解甘蔗与病原菌互作提供了新视角，更重要的是为分子育种提供了有价值的候选基因。未来通过稳定遗传转化验证ScPOD01在不同病原菌(如青枯菌、镰刀菌等)抗性中的作用，将加速甘蔗抗病品种的选育进程，对保障国家糖业安全具有重要战略意义。