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《棉花遗传改良团队解析棉铃虫效应子PPI5调控植物防御的分子机制》

  • 编译者： 季雪婧
  • 发布时间：2025-07-15

  • 棉花是重要的战略物资，我国棉花种植业产值1500亿，棉纺织全产业链1.2万亿，是我国的支柱产业之一。棉花常年种植面积4500万亩，87%的面积在新疆，涉及4000多万人就业，对边疆稳定、经济发展意义重大。棉花虫害多达30余种，常年造成200亿元以上的经济损失。棉铃虫是一种广泛分布的多食性害虫。由于它的杂食性、迁徙力和高繁殖力，棉铃虫已经入侵了亚洲、非洲和欧洲等多个国家。这种昆虫能够以100多种不同的植物为食，对作物造成重大经济损失，估计价值超过20亿美元。Bt抗虫棉部分实现对棉铃虫的防控，但Bt抗性逐渐下降，次级害虫上升为主要害虫，至今没有有效的控制办法。我国抗虫棉研发滞后，主要原因是缺乏突破性抗虫基因以及遗传工程技术创新不足。阐明棉花抗虫机制发掘新基因、开发基因工程新工具具有重要意义，是我国抗虫棉升级的必由途径。  2024年10月1日，华中农业大学棉花遗传改良团队在Advanced

    Science杂志在线发表了题为“Cotton bollworm (H. armigera) effector PPI5 targets

    FKBP17-2 to inhibit ER immunity and JA/SA responses, enhancing insect

    feeding”的研究论文，文章解析了棉铃虫效应子PPI5靶向FKBP17-2抑制内质网免疫和JA/SA响应，促进昆虫取食的分子机制。

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  • 《解析棉铃虫效应子PPI5调控植物防御的分子机制》
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2024-10-28
    •     棉花是重要的战略物资，我国棉花种植业产值1500亿，棉纺织全产业链1.2万亿，是我国的支柱产业之一。棉花常年种植面积4500万亩，87%的面积在新疆，涉及4000多万人就业，对边疆稳定、经济发展意义重大。棉花虫害多达30余种，常年造成200亿元以上的经济损失。棉铃虫是一种广泛分布的多食性害虫。由于它的杂食性、迁徙力和高繁殖力，棉铃虫已经入侵了亚洲、非洲和欧洲等多个国家。这种昆虫能够以100多种不同的植物为食，对作物造成重大经济损失，估计价值超过20亿美元。Bt抗虫棉部分实现对棉铃虫的防控，但Bt抗性逐渐下降，次级害虫上升为主要害虫，至今没有有效的控制办法。我国抗虫棉研发滞后，主要原因是缺乏突破性抗虫基因以及遗传工程技术创新不足。阐明棉花抗虫机制发掘新基因、开发基因工程新工具具有重要意义，是我国抗虫棉升级的必由途径。     2024年10月1日，华中农业大学棉花遗传改良团队在Advanced Science杂志在线发表了题为“Cotton bollworm (H. armigera) effector PPI5 targets FKBP17-2 to inhibit ER immunity and JA/SA responses, enhancing insect feeding”的研究论文，文章解析了棉铃虫效应子PPI5靶向FKBP17-2抑制内质网免疫和JA/SA响应，促进昆虫取食的分子机制。     本研究收集了以棉花叶片为食的棉铃虫的口腔分泌物（OSs），并进行了蛋白质组学分析，共筛选出19个候选基因。利用烟草瞬时表达系统筛选到一个候选基因，PPI5诱导了烟草叶片细胞的坏死反应。进一步实验发现PPI5诱导的细胞死亡不依赖于与PTI和ETI相关的介导细胞死亡的途径。酵母信号肽实验、蛋白涂抹实验、全量免疫组化实验进一步证明了PPI5分泌到植物中干扰植物的防御反应。在烟草和棉花异源表达PPI5不仅增加了烟草和棉花对棉铃虫的易感性，还抑制了棉花和烟草的JA、SA响应。为了探究PPI5对棉花和烟草激素水平的调控作用，团队用PPI5做诱饵进行酵母文库筛选。Y2H, LCI, BIFC和Pulldown实验证明PPI5与GhFKBP17-2直接互作。进一步实验发现，PPI5与GhFKBP17-2共定位在内质网上且PPI5直接抑制GhFKBP17-2的PPIase酶活和内质网介导的植物免疫。 最后，CRISPR/Cas9敲除突变体(CR-GhFKBP17-1/3)、VIGS材料 (TRV: GhFKBP17-2)和过表达系(OE -GhFKBP17-1/3)在温室和田间的昆虫生物测定实验共同表明GhFKBP17-2在棉铃虫侵染中正向调节内质网(ER)应激介导的植物免疫。     综上，团队解析了PPI5和GhFKBP17-2在调节植物防御反应和敏感性的互作模型。昆虫摄食会诱导食草动物相关分子模式（HAMP），从而激活内质网（ER）定位蛋白 FKBP17-2。这种激活会触发ER中的未折叠蛋白反应（UPR），从而诱导ER应激，最终导致细胞程序性死（PCD）。此外，棉铃虫的口腔分泌蛋白 PPI5 通过取食造成的机械伤口进入植物体内。一方面，PPI5 与 GhFKBP17-2 相互作用，抑制蛋白质的表达和 PPIase 的活性，从而抑制 ER 应激介导的植物免疫。另一方面，PPI5 还能抑制 JA 和 SA 的防御反应。PPI5 介导的植物免疫抑制可能会使植物更容易受到棉铃虫的入侵，从而改善棉铃虫的取食和发育。
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  • 《棉花团队揭示干旱下棉花产量和纤维品质协同改良的遗传机制》
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2024-10-28
    •     Advanced Science在线发表了华中农业大学棉花遗传改良团队题为“Dissecting the Superior Drivers for the Simultaneous Improvement of Fiber Quality and Yield under Drought Stress Via Genome-Wide Artificial Introgressions of Gossypium barbadense into Gossypium hirsutum”的研究论文。研究基于陆地棉栽培种鄂棉22（E22，产量高）为背景的海岛棉3-79（纤维品质优）的种间染色体置换系（CSSLs）群体，利用多种定位方法鉴定到多个干旱下棉花产量和纤维品质协同的QTL，并解析了棉花抗旱关键基因DRR1和DRT1的生物学功能。     随着全球淡水资源短缺和极端天气事件的增多，干旱胁迫已成为导致全球棉花产量和纤维品质下降的主要因素。陆地棉和海岛棉作为最重要的四倍体栽培棉种，具有不同的优异性状。陆地棉产量高，而海岛棉纤维品质优异，但产量相对陆地棉较低，且两个棉种在干旱胁迫下仍然保持其优良特性。由于连锁累赘的因素，实现棉花纤维品质、产量和抗性的协同改良十分困难，通过染色体片段交换、打破连锁累赘、融合两者优势性状，可以实现棉花抗性、产量和品质的协同改良。     作者以陆地棉E22为轮回亲本，海岛棉3-79为供体亲本构建了包含319份材料的CSSLs群体。采用花铃期断水处理的干旱胁迫方式，在全生育期共采集了包括农艺性状、产量及纤维品质在内的14个性状。利用最佳线性无偏预测（BLUP）整合多个环境的数据，并采用4个产量性状、4个品质性状的抗旱系数（DRC）和抗旱隶属函数值（MFVD）评价各材料的抗旱性，筛选出M149等9个棉花抗旱品系。进一步通过GWAS分析、连锁分析和BSA策略，共鉴定到121个显著的QTL，其中39个QTLs至少在两种定位策略中同时鉴定；6个QTL在三种策略共同鉴定。     进一步结合亲本特点，基于共定位的结果和抗旱SNP的来源，筛选出14个QTL进行抗旱单倍型分析，其中13个抗旱单倍型（DRC纤维品质）来源于3-79，1个（DRC衣分）来源于E22。利用14个SNP对CSSLs群体进行抗旱单倍型聚合效应分析，发现聚合抗旱单倍型越多的品系，其抗旱隶属函数值（MFVD）越高，干旱胁迫处理对其产量和品质的影响越小，表明优质纤维3-79基因型的渗入有效打破了连锁累赘的影响，实现棉花抗性、产量、品质的协同改良。     作者进一步利用CRISPR/Cas9和VIGS技术验证了上述共定位区间候选基因DRR1和DRT1的生物学功能。结果表明，敲除DRR1或DRT1基因后，植株对干旱胁迫更加敏感。利用VIGS技术在抗旱材料M307（hap3-79）和敏旱材料M048（hapE22）中均沉默DRR1或DRT1，结果证明单倍型hap3-79相比hapE22表现出更强的抗旱性。     华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室棉花遗传改良团队、湖北洪山实验室杨细燕教授为论文通讯作者，韩贝博士（已毕业，现就职于中国农业科学院油料作物研究所）为论文第一作者，团队张献龙院士共同设计并指导研究，林忠旭教授创建并提供导入系群体；该群体在新疆石河子和阿拉尔开展了多年多点的田间试验，新疆农垦科学院余渝研究员和塔里木大学王彦芹教授对群体材料的种植和表型采集提供了帮助。该研究受农业部专项资金（生物育种）、国家自然科学基金和新疆兵团科技发展专项资金的资助。
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