微丝结合蛋白GhRAC2参与棉花对大丽轮枝菌免疫应答的分子机制研究

The re-arrangement and dynamics of actin cytoskeleton in plant cells play vital roles in abiotic stress response and pathogen defense. Preliminary results showed that cotton Small Rho GTPase Protein family protein, GhRAC2 may function as an actin depolymerization factor to bind to actin filaments both in vivo and in vitro. GhRAC2 was induced in response to the infection of Verticillium dahliae. And more, silencing of this gene resulted in a increased resistance when challenging with Verticillium dahliae. These results indicate that GhRAC2 may act as one of the key factors in cotton defense against Verticillium wilts. Thus, in the proposed study, we will investigate the physiological roles of GhRAC2 in regulating the dynamic polymerization of actin filaments during the response of cotton to Verticillium dahliae. Our study will provide evidence in revealing the mechanism of GhRAC2 mediated actin polymerization and signal transduction as well as spatio-temporally regulatory in response to pathogen invasion in plants, and meanwhile, provide a candidate gene for genetic improvement of Verticillium wilt tolerance in cotton.

微丝骨架的重排及动态变化在应答生物和非生物胁迫中起着重要的作用。前期研究发现，棉花小G蛋白家族成员GhRAC2在体内和体外都能够和微丝骨架结合，被鉴定是一个微丝骨架结合蛋白，可能具有剪切微丝活性。该基因响应棉花黄萎病菌的侵染，并且沉默该基因的表达能够显著增强棉花对黄萎病菌的抗性，暗示其可能是棉花防御黄萎病的关键因子之一。本课题拟对GhRAC2在调控微丝骨架动态组装及参与植物抗性响应中的功能进行深入分析。预期结果不仅能够为研究微丝骨架动态组装参与抗性信号传导及时空调控机制增添新的实验依据，为利用分子育种方法提高棉花抗性提供新思路，也有望培育出具有黄萎病抗性的棉花新品种。

微丝骨架在植物响应、免疫病原真菌侵染过程中发挥了重要作用。本研究发现，微丝骨架相关基因GhRAC2响应棉花黄萎病菌的侵染，在棉花中沉默该基因的表达能够显著增强棉花对黄萎病菌的抗性，而在拟南芥中过量表达该基因则能够降低拟南芥的黄萎病菌的抗性。作用机制研究发现，GhRAC2在体内和体外都能够和微丝骨架结合，具有剪切微丝活性。进一步研究发现，在大丽轮枝菌侵染时，沉默GhRAC2的棉花植株的细胞内更加稳定，形成的微丝数量更多，并聚集了更多ROS，病原响应基因PR1, PR5的表达比对照表达更高。说明GhRAC2可能通过调控微丝骨架，进而调控了植物的活性氧积累和病原响应基因的表达，从而参与棉花抗病。.另外，我们还从棉花和大丽轮枝菌互作体系中分离鉴定了来源于棉花质外体的富半胱氨酸蛋白CRR1和几丁质酶Chi28，以及来源于大丽轮枝菌的丝氨酸蛋白酶VdSSEP1，并对它们的功能进行了深入分析。作用机制研究发现，当黄萎病菌入侵时，棉花外泌Chi28和CRR1到根质外体中，其中Chi28能够降解病原菌细胞壁的几丁质，而大丽轮枝菌则分泌丝氨酸蛋白酶VdSSEP1来水解棉花Chi28，从而阻止其对几丁质的降解。更有趣的是，为了反击病原菌的对抗，棉花外泌的CRR1在质外体中与Chi28相互作用，稳定Chi28而使其免受VdSSEP1降解，从而增强棉花的免疫防御。这些研究结果展示了大丽轮枝菌与棉花在根部质外体中的多重互作，为深入了解几丁质触发的植物先天免疫机制增添了新的实验依据。