近日，我院马峙英教授所带领的棉花遗传育种创新团队在国际知名权威期刊《Advanced Science》（5-Year IF=16.7，中科院1区TOP期刊）在线发表了题为“Lysine 2-Hydroxyisobutyrylation- and Succinylation-Based Pathways Act Inside Chloroplasts to Modulate Plant Photosynthesis and Immunity”的论文。该研究从表观遗传水平揭示了叶绿体蛋白调控作物高产与抗病性平衡的机制，为作物改良提供了新的策略。
植物为了适应环境，需在生长和防御之间进行有效能量分配。黄萎病是棉花生产中最为严重的病害，虽然报道了一些抗病基因，由于植株的免疫和生长发育存在广泛的拮抗作用，这些基因的内在耦合机制与综合效应有待深入研究与评估。近年来团队成功培育了农大棉8号、农大601、冀农大23号等多个抗病高产棉花新品种，实现了抗病与高产协同提升。目前关于棉花重要性状遗传基础研究主要集中在某单一性状的转录或翻译水平，性状间的耦合机制与协同调控研究甚少。不同翻译后修饰（PTM）相对于转录组以指数方式增加了蛋白组的复杂性，PTM在植物免疫反应中具有更快、更高效的调节作用。
本研究通过一系列体内、体外生化试验，首次鉴定到GhHDA15和GhSRT1分别作为二羟基异丁酰化（Khib）和琥珀酰化（Ksuc）修饰的“Eraser”，通过参与去酰化修饰负调控棉花黄萎病抗性，且以GhHDA15为主导。此外，ChIP-qPCR研究发现Khib修饰能够特异地调控PR和SA信号通路，表明Khib和Ksuc是调控黄萎病的抗性重要表观修饰类型。
图1 棉花中Khib和ksuc的“Writer”和“Eraser”的鉴定及功能研究
研究人员进一步通过TMT标记和串联质谱相结合的方法，全面系统地绘制了陆地棉响应大丽轮枝菌侵染的蛋白Khib和Ksuc修饰图谱，分析发现多个蛋白在接菌前后修饰水平发生显著改变。通过对差异修饰蛋白的亚细胞定位及富集分析，发现位于叶绿体中参与光合作用的蛋白被显著富集。其中，光合系统修复蛋白GhPSB27包含了4个受大丽轮枝菌诱导后上调修饰的赖氨酸Khib和Ksuc位点，处于Khib和ksuc修饰蛋白网络的核心枢纽。进一步研究发现，接菌后GhHDA15基因的转录在感病棉花中显著提高，而在抗病棉花中无明显变化。一方面，升高的GhHDA15更多的结合在PR和PAL、ICS1、PAD1、NPR1等SA路径基因的启动子区，导致感病品种中这些基因的表达水平更低；另一方面提高的GhHDA15蛋白增强了对GhPSB27蛋白的去乙酰化修饰，导致GhPSB27保持较低的修饰水平。相比之下，抗病棉花中，较低的GhHDA15转录丰度使PR和PAL、ICS1、PAD1、NPR1等基因维持较高的表达水平；同时保持较高修饰状态的GhPSB27可以提高光合系统核心成员D1蛋白的含量，促进光合作用和副产物cROS的产生，从而提高植物的生物量、种子产量和抗病性。综上，本研究揭示了叶绿体蛋白通过表观调控实现作物高产与抗病性平衡的分子机制，为作物改良提供了新策略。
图2 GhPSB27Khib调控棉花抗性和产量的分子模型
团队陈斌博士后为论文第一作者，张艳教授、马峙英教授、王省芬教授为通讯作者。该研究得到河北省自然科学基金创新群体、国家重点研发计划、中国博士后科学基金、河北省博士后科研基金等项目资助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202301803
