PBJ | 河南大学揭示生物钟门控根际微生物及棉花黄萎病抗性的新机制

近日，河南大学生命科学学院谢启光教授、蔡应繁教授、徐小冬教授团队联合中国科学院微生物研究所刘晓研究员团队在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为Circadian clock gates Verticillium dahliae defense in cotton by modulating JAZs expression的研究论文。该研究首次系统揭示了棉花生物钟（circadian clock）时间特异性调控根际微生物响应大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）侵染；阐明了生物钟核心基因GhLUX通过抑制JAZs相关途径增强黄萎病抗性的信号转导途径；创制了兼顾黄萎病抗性和纤维产量与品质的新种质，打破了作物育种中“抗病与高产难以兼得”的传统困境。

棉花“癌症”与生物钟的奥秘

由大丽轮枝菌引起的棉花黄萎病被称为棉花的“癌症”，严重制约棉花产业发展。突破现有黄萎病研究框架，揭示新的抗性机制、培育抗病品种是绿色可持续防控黄萎病的根本途径。近年来，利用模式植物拟南芥，生物钟调控生物胁迫抗性取得了一些重要进展。研究表明，生物钟协调植物免疫与生长发育间的权衡，即在正常生长条件下或者病原菌侵染时，植物通过生物钟整合胁迫和时间线索，最终决定将有限的资源和能量优先投资免疫还是生长发育，从而极大地增强了植物的环境适应性和遗传适合度。以前研究较少关注土传的大丽轮枝菌对棉花的侵染的时间特异性，以及后续抗性途径所涉及的时序性调控网络。

作者近期研究成果表明，晨间生物钟核心组分GhCCA1通过增强木质素合成防御大丽轮枝菌的日间侵染（Wang et al., 2026, PMID: 41588580）。由于大丽轮枝菌具有全天侵染特性，课题组推测棉花可能通过生物钟调控，在日间和夜间通过不同生物钟组分建立起相应的防御机制，最终平衡抗病与生长发育之间的拮抗关系。该研究从生物钟的角度切入，证明棉花生物钟的夜间核心组分GhLUX调控了根际微生物对大丽轮枝菌侵染的响应以及棉花对黄萎病的昼夜抗性差异。

生物钟“夜间守护”根际微生态

研究团队通过分析和比较日间和夜间正常生长状态和扰乱昼夜节律后的棉花根际微生物组，证明棉花生物钟在夜间（ZT13）对维持根际微生物群落的稳定性至关重要。当棉花生物钟紊乱后，根际真菌群落的多样性和结构在夜间发生显著改变，其中就包括病原菌大丽轮枝菌，以及与其相互作用的镰刀菌（Fusarium）、青霉菌（Penicillium）和毛霉菌（Mortierella）等关键种群。研究还发现大丽轮枝菌的侵染能反过来加速棉花的生物钟运行，表明病原菌与宿主生物钟之间存在复杂的反馈调节机制。

图1 棉花生物钟维持夜间根际微生物群落的稳定性。

夜间生物钟组分GhLUX：生物钟调控下游茉莉酸免疫通路的“桥梁”

研究进一步锁定了生物钟傍晚复合体（Evening Complex）的核心组分——GhLUX。相应结果证实：1）通过病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术，沉默GhLUX会显著降低棉花对大丽轮枝菌的抗性；2）过表达GhLUX则大幅提升抗病性。然后从分子层面，进一步证明GhLUX作为转录抑制因子，能够直接结合并抑制茉莉酸（JA）信号通路关键负调控因子GhJAZ家族几乎全部基因的表达。研究表明JAZ蛋白通常会抑制抗病途径关键转录因子，GhLUX对GhJAZ的抑制作用，相当于增强了茉莉酸介导的免疫信号，从而在夜间有效激活棉花的防御系统。

图2 夜间相位的生物钟振荡器组分GhLUX抑制 GhJAZs 的昼夜节律性表达，从而增强棉花对大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）侵染的响应。

“抗病”与“高产优质”兼得

该研究通过大量田间试验发现，过表达GhLUX的转基因棉花在增强黄萎病抗性的同时，其纤维长度、纤维强度、衣分指数等关键品质指标均获得显著提升，且铃重和籽棉产量也同步增加。这一发现具有重大的育种应用价值。长期以来，作物的抗病性与产量、品质往往存在“权衡效应”（trade-off），提高抗性常以牺牲产量为代价。而GhLUX的发现表明，通过精准调控生物钟关键节点，有望打破这一育种瓶颈，实现抗病、高产、优质的协同提升。

图 3 棉花生物钟组分GhLUXs正向调节对大丽轮枝菌的抗性。

河南大学王苹、刘明明、赵晨雨、高仕祺以及中科院微生物所卢悄佳为共同第一作者完成，河南大学谢启光教授、蔡应繁教授、徐小冬教授以及中科院微生物所刘晓研究员为通讯作者。此外，河南农业大学张骁教授、美国达特茅斯学院生物科学系的C. Robertson McClung教授也为本研究提供了重要指导。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中原科技创新领军人才项目等资助。该成果不仅为理解植物生物钟与土传病害互作提供了全新视角，更为通过分子设计育种培育抗黄萎病、高产优质的棉花新品种奠定了坚实的理论基础和基因资源。

文献链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.70726