高粱抗蚜反應(yīng)中糖代謝途徑基因的表達(dá)模式分析

中圖分類號(hào)：S514 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-4330（2025）05-1242-07

0 引言

【研究意義】高梁（Sorghumbicolor（L.）Moench）是重要的糧食作物，也是飼用、工業(yè)和能源開(kāi)發(fā)的重要原料。高梁對(duì)高溫、低溫、干旱、洪澇和鹽堿等不利條件具有獨(dú)特的抗性，因此，相較于其他主要糧食作物，高梁適合種植的區(qū)域更為廣泛[1-3]。高梁蚜（Melanaphis sacchari）是威脅我國(guó)高粱產(chǎn)區(qū)的主要害蟲(chóng)之一，高梁上附著大量的蚜蟲(chóng)為害其生長(zhǎng)和結(jié)實(shí)，造成減產(chǎn)[4.5]。糖代謝是植物體內(nèi)能量供應(yīng)的重要途徑，在植物的生長(zhǎng)發(fā)育和抵御逆境脅迫過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[。高粱在有效防御蚜蟲(chóng)脅迫的同時(shí)，維持較為穩(wěn)定的糖代謝水平，將對(duì)保證植株逆境條件下的正常生長(zhǎng)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】初生代謝是生物共有的代謝途徑，底物經(jīng)三大代謝途徑即糖酵解、檸檬酸循環(huán)和磷酸戊糖途徑，最終氧化生成糖類、脂類、蛋白質(zhì)和核酸等[7]。糖代謝是幾類生物代謝途徑的中心環(huán)節(jié)，當(dāng)植物受到逆境脅迫時(shí)，正常的糖代謝途徑就被打亂，從而引起代謝失衡。細(xì)胞壁是植物應(yīng)對(duì)外界逆境脅迫的第一道防線，其成分中 90% 為多糖[8]。可溶性糖作為細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)分子，在植物應(yīng)對(duì)逆境脅迫時(shí)也發(fā)揮著非常重要的作用[9，10]。研究發(fā)現(xiàn)，煙草（Nicotianatabacum）植株葉片中較低濃度的葡萄糖和果糖會(huì)導(dǎo)致玉帶天蛾（Manducasexta）數(shù)量的增加，而茉莉酸依賴性的糖消耗會(huì)使得植株更易遭受玉帶天蛾取食[1]。玉米（Zea mays）接種玉蜀黍黑粉菌（Ustilagomaydis）6h后，體內(nèi)大量與病原體觸發(fā)免疫（PTI）機(jī)制相關(guān)的多糖或鞭毛蛋白基因被顯著誘導(dǎo)，隨后導(dǎo)致糖代謝、糖酵解/糖異生和抗性基因表達(dá)，說(shuō)明糖轉(zhuǎn)運(yùn)在玉米對(duì)玉蜀黍黑粉菌的抗病反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用[12]。利用高通量RNA 測(cè)序技術(shù)對(duì)水稻（Oryzasativa）抗性BPH15滲入系和敏感受體植物進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，糖代謝途徑差異表達(dá)基因（DEGs）在敏感植物中顯著下調(diào)，但在抗性植物中只有低幅度的變化，表明在敏感植物中褐飛虱（Nilaparvatalugens，BPH）取食抑制了糖代謝途徑相關(guān)基因的表達(dá)[13]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】RMES1是從高粱抗蚜品種HN16中新分離出來(lái)的抗蚜基因[14]，其是否通過(guò)調(diào)控糖代謝基因的表達(dá)變化來(lái)參與高梁抗蚜，目前尚不清晰。需在揭示HN16通過(guò)調(diào)節(jié)糖代謝基因表達(dá)參與高梁抗蚜的作用機(jī)制。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以HN16和感蚜突變體asm1作為材料，利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)篩選2材料在蚜蟲(chóng)取食過(guò)程中的糖代謝途徑DEGs，并選取部分基因?qū)ρ料x(chóng)取食過(guò)程中基因的表達(dá)模式進(jìn)行分析，為防治高粱蚜及高粱抗蟲(chóng)育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇高粱抗蚜品種HN16（野生型WT，包含抗蚜基因RMES1）和感蚜突變體asm1（RMES1基因突變）作為材料，在花盆中種植，待植株長(zhǎng)至2葉1心期進(jìn)行接蚜處理。平均每株幼苗接蚜10只，接蚜0、24、48、72和 96h 后，剪取葉片進(jìn)行RNA提取及基因的表達(dá)模式分析。植物培養(yǎng)條件為 16h 光照， ^8h 黑暗，溫度范圍為 28～30^°C ，相對(duì)濕度 60% ，所有試驗(yàn)均在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行。

1. 2 方法

1.2.1 RNA提取

采用TransZol試劑（transgen）進(jìn)行總RNA的提取。稱取 0.1g 高粱葉片，利用組織研磨儀充分研磨后，加入 1mL TransZolUP，充分震蕩混勻，室溫靜置 5min 。加人 200μL 預(yù)冷的RNAExtractionAgent，充分振蕩 15s ，室溫孵育 3min 后，離心 15min 。吸取水相層，再加入 500μL 異丙醇，混勻，室溫孵育 10min 后，離心 10min 。去上清。加人 75% （ σ_V/σ_V ）乙醇（DEPC水配制）1mL ，充分震蕩，對(duì)RNA進(jìn)行洗滌提純，重復(fù)2次，離心后棄上清，倒置晾干，加入適量RNA溶解液溶解。

1.2. 2 cDNA的合成及質(zhì)量檢測(cè)

以提取的RNA樣品為模板，使用TransScriptOne - Step gDNA Removal and cdna Synthesis Su-perMix試劑盒（transgen），在同一反應(yīng)體系中，進(jìn)行cDNA的合成和 gDNA 的去除，反應(yīng)體系總體積為 20μL 。反應(yīng)條件為： 65°C，5min ，冰浴2min ; 42% ， 30min ： 85°C ，5s，反轉(zhuǎn)的總體系為20μL 。反轉(zhuǎn)完成后產(chǎn)物保存至 -20% 備用。表1

以上述反轉(zhuǎn)錄合成的cDNA為模板，利用內(nèi)參基因sbActin的特異性引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增得到的產(chǎn)物用瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè)。

表1 反轉(zhuǎn)錄體系

Tab.1 Thesystemofreverse transcription

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3. 1 基因篩選及熱圖

利用實(shí)驗(yàn)室前期獲得的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)[15]，篩選蚜蟲(chóng)取食過(guò)程中HN16和asm1間0、24和 ^48h 差異表達(dá)的糖代謝途徑基因，篩選條件為顯著性水平（Padjust lt;0.05 ），上下調(diào)差異倍數(shù)（ FC? 2和 FC?0.5 ），以WT為對(duì)照組，asm1為試驗(yàn)組，并將這些基因數(shù)據(jù)整理后利用在線繪圖工具Chiplot（https：//www.chiplot. online/# Heatmap ）繪制表達(dá)模式熱圖。

1.3.2 引物查找與驗(yàn)證

利用qPCR數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站（https：//biodb.swu.edu.cn/qprimerdb）查找相應(yīng)引物，利用PCR驗(yàn)證大小符合預(yù)期，且條帶特異的引物，通過(guò)熒光定量PCR篩選出溶解曲線為單峰，且CT值良好的引物用于下一步試驗(yàn)。

1.3.3 實(shí)時(shí)熒光定量PCR

使用的儀器為AppliedBiosystems7500型熒光定量PCR儀，采用TBGreenPremixExTaqI（TliRNaseHPlus）試劑盒（Takara）對(duì)基因的表達(dá)量進(jìn)行驗(yàn)證。熒光定量PCR體系為：TBGreenI 5μL 、正反向引物 0.5μL?CDNA2μL?ddH₂O 補(bǔ)足至 10μL 。反應(yīng)條件：采用兩步法擴(kuò)增，共40個(gè)循環(huán)。反應(yīng)程序?yàn)椋?95^°C 30s .95^°C 5s 60^°C 34s，95^°C15s，60^°C1min，95^°C15s 。以Sbactin作為內(nèi)參，以 ΔWT0h 作為對(duì)照，利用 2^-ΔΔCT 的方法分析基因的表達(dá)量變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 糖代謝途徑差異表達(dá)基因（DEGs）的篩選研究表明，篩選蚜蟲(chóng)取食0、24和 ^48h ，HN16和asm1中糖代謝途徑的DEGs，共篩選出17個(gè)相關(guān)基因，其編碼產(chǎn)物包括半乳糖醇合酶，木聚糖-∝- 葡糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶，半乳糖醛糖基轉(zhuǎn)移酶， ∝ -L-巖藻糖苷酶，蔗糖1-果糖基轉(zhuǎn)移酶，葡聚糖內(nèi)切-1，3-葡糖苷酶，木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)葡糖基酶/水解酶蛋白，酸性內(nèi)切幾丁質(zhì)酶和內(nèi)切葡聚糖酶。表2

表2 糖代謝相關(guān)基因信息

Tab.2 Genetic information related toglucosemetabolism

與蚜蟲(chóng)未取食（ 階段相比，蚜蟲(chóng)取食24和 ^48h 后，在HN16和asm1中基因sbGATL1、sb-FUCO1、sbXTH27、sbGUAA2和sbBGL22的表達(dá)呈下調(diào)趨勢(shì)，其余基因的表達(dá)均呈上調(diào)趨勢(shì)。蚜蟲(chóng)的取食改變了HN16和asm1中糖代謝途徑基因的表達(dá)。圖1

圖1 糖代謝途徑相關(guān)基因的表達(dá)量 Fig.1Expression analysis of genes related to glucose metabolism pathway

注（Notes）：H：HN16；B：asml

2.2 糖代謝途徑DEGs的表達(dá)量驗(yàn)證

2. 2.1 RNA及cDNA質(zhì)量檢測(cè)

研究表明，將HN16和asm1進(jìn)行接蚜處理0、24、48、72和 96h 后，收集葉片提取總RNA。將提取的RNA進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，RNA的28S、18S和5S條帶完整，無(wú)降解。將RNA反轉(zhuǎn)錄合成cDNA，以合成的cDNA作為模板，利用sbActin擴(kuò)增，并進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳，擴(kuò)展條帶清晰明亮，cDNA質(zhì)量良好，可用于后續(xù)試驗(yàn)。圖2

圖2RNA（A）和cDNA（B）的質(zhì)量檢測(cè) Fig.2 QualitydetectionofRNAandcDNA

2.2.2 基因的引物設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

研究表明，共獲得12對(duì)引物，擴(kuò)增條帶單一，特異性較佳，且利用DNA和cDNA作為模板的擴(kuò)增大小均符合預(yù)期，即 、sbGATL9、sbXTH30、sbXTH27、sbGUX2、sbE1314、sbB-GL22、sbISOA3sbGUAA2、sbCHLA。圖3

篩選出6個(gè)基因的6對(duì)引物，擴(kuò)增的溶解曲線單峰，并且具有良好的CT值。表2～3

圖3 引物驗(yàn)證的凝膠電泳 Fig. 3 Gel electrophoresis image ofprimervalidation

2.2.3 糖代謝途徑基因的表達(dá)量驗(yàn)證

研究表明，6個(gè)基因的表達(dá)量變化與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)基本吻合。其中，基因sbGOLS2和sbCHIT3，在HN16中，當(dāng)葉片被蚜蟲(chóng)取食后基因的表達(dá)量在短時(shí)間內(nèi)（ 24h） ）急劇上升，隨后下降，基因 sb BGL22在蚜蟲(chóng)取食 24～72h ，表達(dá)量持續(xù)上升，后期趨于穩(wěn)定；而在asm1中，在蚜蟲(chóng)取食過(guò)程中3個(gè)基因的表達(dá)則持續(xù)上升，且在蚜蟲(chóng)取食后期（72～96h ）基因的表達(dá)顯著高于HN16。3個(gè)基因在HN16抗蟲(chóng)過(guò)程中通過(guò)快速反應(yīng)來(lái)抵抗昆蟲(chóng)，而在感蚜突變體asm1中則持續(xù)反應(yīng)，造成了自身能量的消耗，導(dǎo)致植株的死亡。

基因sbGUAA2、sbGUX2和sbISOA3，蚜蟲(chóng)的取食會(huì)促進(jìn)HN16中基因表達(dá)量的升高，且總體變化幅度較小，而在asm1中隨著蚜蟲(chóng)的取食，3個(gè)基因的表達(dá)量均顯著下降，且在蚜蟲(chóng)取食過(guò)程HN16中的表達(dá)量大多高于asm1，蚜蟲(chóng)的取食會(huì)促進(jìn)這3個(gè)基因在HN16中的表達(dá)，并抑制其在asm1中的表達(dá)?？梢?jiàn)，在遭遇蚜蟲(chóng)后，在HN16中3個(gè)基因可以較為穩(wěn)定的維持自身的表達(dá)，從而保證高梁初生代謝的穩(wěn)定性，而在感蚜突變體asm1中，則無(wú)法保證這幾個(gè)基因的正常表達(dá)，3個(gè)基因在HN16的抗蟲(chóng)反應(yīng)中，維持正常糖代謝水平上發(fā)揮了較大作用。圖4

表3 引物序列信息

Tab.3 Primerssequenceinformation

注（Notes）：A：sbGOLS2；B：sbCHIT3；C：sbBGL22；D：sbGUAA2；E：sbGUX2；F：sbISOA3

圖4糖代謝相關(guān)基因的表達(dá)模式分析

Fig.4Analysis of expression patterns of genes related to glucose metabolism

3討論

3.1高粱是世界范圍內(nèi)重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物[16]。糖代謝是生物代謝途徑的中心環(huán)節(jié)，當(dāng)植物受到病毒、病原體、昆蟲(chóng)等生物脅迫時(shí)，體內(nèi)正常的糖代謝途徑會(huì)被打亂，引起代謝失衡，最終影響植物的生長(zhǎng)和發(fā)育[17]。研究發(fā)現(xiàn)，病毒等生物脅迫可直接導(dǎo)致植物體內(nèi)糖類積累減少，生長(zhǎng)發(fā)育減緩。木薯（Manihotesculenta）普通花葉病毒（Cottonleafworm，CsCMV）感染引起木薯源葉中淀粉和麥芽糖含量降低，蔗糖與淀粉比例顯著增加 24.7% ），導(dǎo)致木薯塊莖產(chǎn)量降低[18]。綠色桃蚜（Myzuspersicae，GPA）侵染擬南芥（Arabi-dopsisthaliana）后，野生型植物的局部和全身葉片中果糖、半乳糖和葡萄糖均被高度下調(diào)；然而，在谷氨酸受體GLR3.3和GLR3.6的glr3.3和glr3.6突變體中，這些糖在局部葉片中類似地下調(diào)，而在系統(tǒng)葉片中，果糖和半乳糖上調(diào)，葡萄糖僅輕微下調(diào)；而蔗糖在野生型植物感染的局部和系統(tǒng)葉片中適度增加，在敲除GLR3.3和GLR3.6植株葉片中蔗糖含量高度升高?？梢?jiàn)，谷氨酸受體GLR3.3和GLR3.6通過(guò)調(diào)節(jié)糖代謝介導(dǎo)擬南芥對(duì)昆蟲(chóng)的系統(tǒng)抗性[19]。

3.2王雪[20]在研究大豆胞囊線蟲(chóng)（Heteroderaglycines，SCN）對(duì)大豆（Glycinemax）的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，抗性品種接種后根內(nèi)可溶性糖的含量大大提高，且無(wú)論是否接種，抗性品種根內(nèi)可溶性糖含量均高于感病品種，表明較高的糖含量有利于抵御胞囊線蟲(chóng)的入侵。研究利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)篩選高梁抗蚜品種HN16和感蚜突變體（asm1）在蚜蟲(chóng)取食過(guò)程中的糖代謝途徑DEGs，共篩選到17個(gè)基因，說(shuō)明蚜蟲(chóng)的取食改變了HN16和asm1中糖代謝途徑基因的表達(dá)。這些基因在HN16的抗蟲(chóng)反應(yīng)中作用有所不同，其中基因sbGOLS2、sb-CHIT3和sbBGL22通過(guò)快速反應(yīng)來(lái)抵抗昆蟲(chóng)，避免消耗過(guò)多的能量；而sbGUAA2、sbGUX2和sbI-SOA3，在蚜蟲(chóng)取食過(guò)程中通過(guò)維持較為穩(wěn)定的表達(dá)，保證高梁糖代謝的穩(wěn)定性。水稻對(duì)BPH的防御反應(yīng)中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，BPH取食過(guò)程中，糖代謝途徑DEGs在敏感植物中顯著下調(diào)，但在抗性BPH15滲入系中只有低幅度的變化，表明抗性植物在BPH的取食過(guò)程中維持了糖代謝基因較為穩(wěn)定的表達(dá)[13]。后續(xù)研究中，可進(jìn)一步檢測(cè)蚜蟲(chóng)取食過(guò)程中HN16和asm1體內(nèi)可溶性糖類的變化，揭示HN16通過(guò)調(diào)節(jié)糖代謝途徑參與高粱抗蚜中的作用機(jī)制。

4結(jié)論

利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)篩選蚜蟲(chóng)取食過(guò)程中，HN16和asm1中糖代謝途徑的DEGs，共篩選出17個(gè)相關(guān)基因，蚜蟲(chóng)取食改變了HN16和asm1中糖代謝途徑基因的表達(dá)?；騭bGOLS2、sbCHIT3和sbBGL22，通過(guò)快速反應(yīng)來(lái)抵抗昆蟲(chóng)，而基因sb-GUAA2sbGUX2和sbISOA3，在蚜蟲(chóng)取食過(guò)程中在HN16中始終維持較為穩(wěn)定的表達(dá)。蚜蟲(chóng)取食過(guò)程中，HN16通過(guò)調(diào)節(jié)糖代謝途徑基因的表達(dá)，維持體內(nèi)較為穩(wěn)定的糖代謝水平，以抵御蚜蟲(chóng)的為害。

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Analysis of expression patterns of glycometabolic pathway genes in sorghum anti - aphid response

HAO Le，LIU Yuan，HAN Ruxue，WANG Zhenjie，SHAO Yutao （School of Life Science and Technology，Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou Inner Mongolia 014010，China）

Abstract：【Objective】 Analysis of expression patterns of glycometabolic pathway genes in sorghum anti - aphid response.【Methods】The aphid resistant variety HN16 and its sensitive aphid mutantasml were used as research materials and the transcriptomic database of sorghum was used to screen the diferentially expressed genes （DEGs）of the two materials in the feeding process of aphids.In the end，a total of 17 genes were screened. These results suggested that feeding by aphids changed the expression of glycometabolic pathway genes in HN16 and asml. Six pairs of specific primers of six genes （sbGOLS2，sbGUX2，sbCHIT3，sbBGL22， sbISOA3） were selected by PCR and qPCR for gene expression verification and analysis.【Results】 The results showed that the expression patterns of these 6 genes were basically consistent with the transcriptome data，and they played different roles in the anti -insect response of HN16.Among them，the genessGOLS2，sbCHIT3 andsbBGL22 were resistant to insects through rapid response to avoid excesive energy consumption. sbGUAA2， sbGUX2 andsbISOA3 ensured the stability of glycometabolic metabolism of sorghum by maintaining relatively stable expression during aphid feeding.【Conclusion】 In summary，during the feeding process of aphids， HN16 maintains a relatively stable glycometabolic metabolism level by regulating the expresion of glycometabolic metabolism pathway genes to resist the harm of aphids.

Key words：sorghum；sorghum aphid;insect resistance;glycometabolism