西瓜與枯萎病菌非親和互作中的轉(zhuǎn)錄組學分析

呂桂云 郭紹貴 張海英 耿麗華 宋鳳鳴 費章君 許勇

目的與意義：西瓜是世界上最重要的蔬菜作物之一，約占世界蔬菜生產(chǎn)總面積的6%。由土壤傳播的真菌病原體半知菌亞門鐮孢屬尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum f.sp. niveurn）引起的枯萎病，是西瓜最具破壞性的疾病。通過基因表達圖譜分析西瓜與枯萎病菌非親和互作的分子機制，揭示出西瓜與枯萎病菌非親和互作中所涉及的基因，初步了解了西瓜與枯萎病菌非親和互作過程中基因表達信息。為西瓜抗枯萎病育種和病害防治奠定理論基礎(chǔ)。

材料與方法：采用代表8 000多個轉(zhuǎn)錄本的Agilent公司寡核苷酸的西瓜表達譜芯片，研究FON感染后抗性品系不同階段西瓜的基因表達變化。使用定量實時PCR（qRT-PCR）進一步研究西瓜和FON非親和互作中茉莉酸（JA）和莽草酸-苯丙烷-木質(zhì)素生物合成途徑中的基因的表達模式。利用綠色熒光蛋白（GFP）標記FON1，通過激光共聚焦顯微鏡觀察病原菌在西瓜根系的附著、侵染和定殖等過程。

結(jié)果與分析：轉(zhuǎn)錄組分析中，我們鑒定了大量屬于編碼AP2/ERF，WRKY和MYB家族的轉(zhuǎn)錄因子的基因，并發(fā)現(xiàn)它們的表達在FON1感染后顯著改變。已經(jīng)證明ERF轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)植物對環(huán)境脅迫的反應(yīng)中起關(guān)鍵作用，與一些ERF基因的差異表達一致，F(xiàn)ON1感染還上調(diào)了許多參與乙烯生物合成的基因。觀察到不同的MYB基因在FON1感染后，西瓜中顯示出不同的表達模式。一個MYB基因WMU2748類似于來自煙草由傷口和誘導(dǎo)子誘導(dǎo)并且能夠正調(diào)節(jié)發(fā)病相關(guān)的基因表達，但MYB轉(zhuǎn)錄因子的另外2個同源物被抑制。這些結(jié)果表明，不同的MYB轉(zhuǎn)錄因子可能在FON1感染后發(fā)揮不同的功能。研究中，F(xiàn)ON1誘導(dǎo)WRKY轉(zhuǎn)錄因子（08042807T_5_33_A05）的表達，進一步支持WRKY基因似乎是響應(yīng)病原體的植物防御的一般調(diào)節(jié)劑。在該研究中，纖維素和半纖維素相關(guān)基因的同源物由FON1感染誘導(dǎo)。這些多糖被認為在感染部位起物理強化作用。另一方面，莽草酸-苯丙烷-木質(zhì)素生物合成途徑中的基因表達在感染（3 dpi）的后期誘導(dǎo)，但在非親和互作中沒有變化或被抑制。這與先前的報道一致，即西瓜根的木質(zhì)素含量明顯高于西瓜和FON之間的親和互作作用。在小麥-Pst病理系統(tǒng)中，參與木質(zhì)素生物合成的酶在24 hpi被誘導(dǎo)，并在48 hpi達到峰值，在感染的早期（3 dpi）和晚期（5 dpi）階段誘導(dǎo)了一組包括PAL、4CL、CHS、CHR的基因。木質(zhì)素的生物合成被確定為感染枯萎病棉花的潛在防御反應(yīng)。這些結(jié)果表明，木質(zhì)化似乎也是宿主-病原體相互作用的后期（2～8 dpi）階段的主動抗性機制。編碼參與ROS的許多基因在FON1感染西瓜中被激活。這與先前的觀察結(jié)果一致，即在枯萎真菌病原體感染后，發(fā)現(xiàn)許多氧化應(yīng)激相關(guān)基因在棉花和黃瓜中差異表達。ROS不僅可作為過敏性細胞死亡的局部信號，還可作為誘導(dǎo)防御基因的第二信使。在FON1感染的西瓜根中與ROS產(chǎn)生相關(guān)的基因的差異表達表明ROS也可能參與西瓜和FON1之間的非親和互作作用。然而，這種假設(shè)需要通過測量感染FON后西瓜根中ROS的變化來進一步檢驗。在抗性西瓜系中，與易感植株相比，大多數(shù)JA生物合成基因被強烈誘導(dǎo)并且表達水平保持更長。結(jié)果顯示，誘導(dǎo)表達的時間是感染的早期（4-12hpi）階段。這些結(jié)果表明，JA在宿主-病原體相互作用的防御反應(yīng)中的作用。由于西瓜和FON1之間非親和互作所涉及的大多數(shù)分子機制尚未確定，因此，本研究中鑒定的大量基因?qū)⒆鳛檫M一步研究的候選者。

結(jié)? ? 論：通過轉(zhuǎn)錄組分析，共篩選出679個上調(diào)基因和708個下調(diào)基因。包括轉(zhuǎn)錄因子、信號/調(diào)節(jié)基因、轉(zhuǎn)運蛋白基因、細胞壁修飾基因、氧爆發(fā)相關(guān)的基因和防衛(wèi)基因等。早期多是調(diào)控類的基因如轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶等信號調(diào)控基因，在接種后期5～8 dpi多是些有實際作用的代謝途徑中的蛋白和酶，且基因的表達多是瞬時的，很少是持續(xù)性。驗證了JA和木質(zhì)素生物合成途徑在西瓜與枯萎病菌的互作過程起重要作用，JA在西瓜與枯萎病菌互作早期起作用，木質(zhì)素則相對在晚期。由于西瓜和FON1之間非親和互作所涉及的大多數(shù)分子機制尚未確定，因此本研究中鑒定的大量基因?qū)⒆鳛檫M一步研究的候選者。