GhCAT1通过调控JA信号通路和ROS稳态增强棉花对黄萎病的抗性机制研究

针对棉花黄萎病抗性机制不明的问题，研究人员通过全基因组分析鉴定棉花CAT基因家族，发现GhCAT1通过调控JA信号通路和ROS稳态增强抗病性。研究结合VIGS沉默、过表达和酵母双杂交技术，揭示GhCAT1与GhHSP70互作的正调控机制，为抗病育种提供新靶点。成果发表于《Industrial Crops and Products》。

　　

棉花作为全球最重要的天然纤维来源，长期受到土传病害黄萎病（Verticillium wilt）的严重威胁，其病原体大丽轮枝菌（Verticillium dahliae, V. dahliae）可导致作物减产30%-50%。当前依赖化学农药的防治手段效率低下且破坏环境，而传统育种周期长且缺乏天然抗性种质资源。在这一背景下，解析棉花抗病分子机制成为当务之急。过氧化氢酶（Catalase, CAT）作为植物免疫系统的关键抗氧化酶，虽在其他作物中被证实参与抗病反应，但其在棉花抗黄萎病中的具体调控机制仍不明确。这项发表于《Industrial Crops and Products》的研究，首次系统揭示了GhCAT1通过茉莉酸（Jasmonic acid, JA）信号通路和活性氧（Reactive oxygen species, ROS）稳态调控棉花抗病性的分子机制。

研究团队采用多组学整合分析策略，首先通过全基因组鉴定获得4个棉种（二倍体G. arboreum、G. raimondii及四倍体G. hirsutum、G. barbadense）共24个CAT基因。利用RNA-seq筛选出V. dahliae诱导显著上调的GhCAT1，通过病毒诱导基因沉默（VIGS）构建TRV:GhCAT1材料，结合拟南芥过表达株系（OE-GhCAT1）进行功能验证。关键实验技术还包括酵母双杂交（Y2H）筛选互作蛋白、qRT-PCR分析防御基因表达、DAB染色检测ROS积累以及ELISA定量植物激素含量。样本来源于中棉所2号（G. hirsutum cv. Zhongzhimian 2）和强致病力菌株Vd080。

基因组分析显示，四倍体棉花含有8个CAT基因（A/D亚基因组各4个），显著多于二倍体（4个），进化分析表明全基因组复制（WGD）是主要扩张动力。启动子顺式元件分析发现GhCAT1含有6个JA响应元件（TGACG/G-box），暗示其参与JA通路调控。表达谱显示GhCAT1在根茎叶中高表达，且受V. dahliae和H₂O₂显著诱导。功能研究表明，沉默GhCAT1导致棉花病情指数（DI）升高50%，真菌生物量增加2.3倍，而OE-GhCAT1拟南芥表现出显著抗性。机制解析发现，GhCAT1通过正调控JA合成关键基因（LOX2、AOC3）表达，维持JA含量（降低38%），同时抑制ROS爆发相关基因（RBOHD）表达，平衡氧化还原状态。Y2H实验鉴定出热激蛋白GhHSP70为直接互作伙伴，VIGS沉默GhHSP70同样导致JA通路抑制和抗性丧失。

该研究创新性地构建了"GhCAT1-GhHSP70模块通过JA/ROS通路调控抗病性"的分子模型（图9），首次揭示CAT在棉花-病原互作中的双重角色：既通过分解H₂O₂防止氧化损伤，又通过JA信号激活防御基因表达。这一发现突破了传统认知中CAT仅作为抗氧化酶的功能局限，为其在抗病育种中的应用提供了理论依据。研究创制的GhCAT1过表达材料可直接用于分子设计育种，而筛选的JA通路关键基因（如GhLOX2）可作为分子标记加速抗病品种选育。鉴于JA信号通路在多种作物抗病中的保守性，该研究策略也为其他经济作物的抗病机制解析提供了范式。