近日，乐鱼(中国)国家甘蔗工程技术研究中心阙友雄和苏亚春团队在农林科学领域国际权威期刊Industrial Crops and Products（中科院一区TOP期刊）在线发表了题为“The allene oxide synthase gene family in sugarcane and its involvement in disease resistance”的研究论文。该研究系统阐述了甘蔗AOS基因家族的起源、分布、进化和抗病调控机制，揭示了AOS基因的特性和功能，并为甘蔗抗性育种提供了潜在的基因资源。
甘蔗（Saccharum spp.）是世界上最重要的糖料和能源作物。甘蔗病害，尤其黑穗病，严重影响甘蔗的产量和品质。茉莉酸生物合成途径中的丙二烯氧化物合成酶（allene oxide synthase，AOS，EC 4.2.1.92），是一种典型的细胞色素P450酶，在增强植物对外界环境适应性方面发挥重要作用。研究从甘蔗野生种割手密和热带种的基因组入手，聚焦甘蔗AOS基因家族的挖掘、分类、进化、结构特征、启动子顺式作用元件、表达模式、抗病功能及其调控机制解析开展研究。进一步，作者从甘蔗栽培种中克隆获得一个ShAOS1基因（GenBank Accession Number：MK674850）。该基因编码一个定位于质膜的非分泌性的酸性稳定亲水性9/13-AOS蛋白，在甘蔗对茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，MeJA）、水杨酸（salicylic acid，SA）和脱落酸（abscisic acid，ABA）胁迫的响应中发挥积极作用。研究还发现，ShAOS1基因的瞬时过表达可促进过氧化氢（hydrogen peroxide，H2O2）的积累，并诱导免疫相关基因的表达（图1A）。
图1 甘蔗ShAOS1基因的抗病功能分析
稳定遗传转化和转录组分析表明，ShAOS1基因的过表达能够通过调控大量转录因子（transcription factors，TFs）、蛋白激酶（protein kinases，PKs）、一系列的刺 激反应过程以及活性氧（reactive oxygen species，ROS）、超敏反应（hypersensitive response，HR）、茉莉酸、乙烯（ethylene，ET）和脱落酸（abscisic acid，ABA）等信号通路的表达，增强转基因株系对病原菌胁迫的抗性（图1B和1C）。最后，综合表型、生理和分子三个维度，作者构建了甘蔗ShAOS1基因在植物抗病防御反应中的调控机制模型（图2）。
图2 甘蔗ShAOS1基因在病原菌胁迫下的调控模式
乐鱼(中国)农学院在读博士研究生孙婷婷为该论文的第一作者；乐鱼(中国)甘蔗综合研究所、农业农村部甘蔗生物学与遗传育种重点实验室、国家甘蔗工程技术研究中心/农学院苏亚春副研究员和阙友雄研究员为该论文的共同通讯作者，尤垂淮博士参与该项工作。乐鱼(中国)农学院在读研究生陈瑶、封翱崟、邹文会、王东姣、林佩霞及陈燕玲参与该研究。该研究得到国家重点研发计划（2018YFD1000503和2019YFD1000503）、国家自然科学基金（31871688）、福建省自然科学基金（2020J01591）、国家甘蔗工程技术研究中心主任基金（NERD202212）和国家糖料产业技术体系（CARS-17）等项目的资助。