GhADF6表达调控介导的微丝骨架动态变化在棉花应答黄萎病菌侵染中的功能及作用机制

Actin depolymerizing factor (ADF) is a key regulator in actin dynamics in eukaryotic cells, involved in numerous processes including growth and development, and in response to abiotic and biotic stresses. In the previous study, we found that expression of GhADF6 was markedly down-regulated when cotton plant was inoculated with the soil-born fungus Verticillium dahiliae, and down-regulating the expression of GhADF6 (VIGS-GhADF6) enhanced the tolerance to Verticillium wilt. The preliminary experiments showed that compared with the control plants, the actin filaments of VIGS-GhADF6 plants formed more and thicker bundles, which may account for the increased resistance to the fungi. Using biochemistry, cell biology and transgenic methods, we are going to investigate the regulated expression of GhADF6 and dynamic reorganizition of actin filaments in defense response using cotton-V. dahlia as a model system. Our study will provide experimental evidence for the functional mechanism of actin cytoskeleton in response to fungus invasion as well as a candidate gene for genetic improvement of the disease resistance against V. dahliae in cotton.

微丝解聚因子ADF是调控微丝骨架动态的关键因子之一，在植物生长发育以及应答生物和非生物胁迫中具有重要功能。前期研究中, 我们发现棉花GhADF6基因的表达受大丽轮枝菌诱导，并且下调GhADF6基因的表达能够提高棉花对大丽轮枝菌侵染的耐受性。微丝染色发现，与对照相比，GhADF6表达水平降低棉花植株根部的束状微丝含量较高，推测可能与其抗病性提高相关。本课题拟以棉花-大丽轮枝菌为系统，通过生物化学、分子生物学和细胞生物学以及转基因等方法，分析GhADF6表达调控介导的微丝动态变化在棉花应答大丽轮枝菌侵染过程中的生理功能及其作用机制。相关的研究结果不仅可以为阐明微丝骨架在植物防御反应中的作用提供理论依据，也可以为利用分子育种方法提高棉花黄萎病抗性提供新思路。

棉花是世界上最重要的天然纤维作物。由大丽轮枝菌所引起的黄萎病是威胁我国棉花生产的首要病害。虽然通过传统育种方法已经获得少数黄萎病抗性提高的陆地棉品种，但抗性高并遗传稳定的种质材料仍十分匮乏。从棉花中分离鉴定抗性相关基因，利用分子育种方法培育黄萎病抗性新品种是当前棉花育种领域的重要研究方向之一。. 越来越多的研究表明微丝骨架重排在植物应答病原菌侵染过程中发挥重要作用，而微丝重排依赖于不同类型微丝结合蛋白的参与，因此微丝结合蛋白在植物先天免疫中的功能研究已成热点。本项目以棉花和大丽轮枝菌为体系，利用遗传学、分子细胞学和生物化学等方法对微丝骨架及其三类重要调控因子在应答大丽轮枝菌侵染中的功能进行了分析探讨，获得以下实验结果: 1) 微丝骨架重排参与棉花对大丽轮枝菌侵染的免疫应答。大丽轮枝菌侵染后，棉花根部细胞中微丝骨架发生活跃的动态重组，微丝密度与成束程度明显增加。2）前纤维蛋白GhPFN2在棉花应答大丽轮枝菌侵染中具有重要功能。过量表达GhPFN2棉花对大丽轮枝菌的耐受性提高；机制分析表明GhPFN2既能通过影响微丝骨架的动态重排和纤维素合成参与棉花根部的结构防御，又能与线粒体外膜电压依赖阴离子通道蛋白GhVDAC1相互作用参与ROS介导的免疫应答。3）微丝解聚因子基因GhADF6表达下调能促进微丝结构重排，此细胞学变化与棉花抵御大丽轮枝菌侵染相关。GhADF6沉默棉花对黄萎病的耐受性增加，根细胞中微丝密度和束状微丝增多；同时核定位GhADF6可能通过调控SA和JA信号途径基因的表达参与棉花对大丽轮枝菌侵染的防御应答。4）绒毛蛋白GhVLN2在棉花应答生物胁迫和生长发育中具有双重功能。GhVLN2表达下调棉花对大丽轮枝菌的耐受性显著提高可能与其微丝切割活性相关；而GhVLN2沉默棉花根茎弯曲，叶片皱缩与其微丝成束活性相关。. 综上所述，本项目的研究结果为微丝骨架及其重要结合蛋白参与植物先天免疫应答及其作用机制增添了新的实验依据，具有重要的理论意义。上述基因可作为抗病候选基因用于棉花黄萎病抗性育种。