西瓜與枯萎病菌非親和互作中的轉錄組學分析

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。

材料與方法：采用代表8 000多個轉錄本的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。

結果與分析：轉錄組分析中，我們鑒定了大量屬于編碼AP2/ERF，WRKY和MYB家族的轉錄因子的基因，并發現它們的表達在FON1感染后顯著改變。已經證明ERF轉錄因子在調節植物對環境脅迫的反應中起關鍵作用，與一些ERF基因的差異表達一致，FON1感染還上調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子誘導并且能夠正調節發病相關的基因表達，但MYB轉錄因子的另外2個同源物被抑制。這些結果表明，不同的MYB轉錄因子可能在FON1感染后發揮不同的功能。研究中，FON1誘導WRKY轉錄因子（08042807T_5_33_A05）的表達，進一步支持WRKY基因似乎是響應病原體的植物防御的一般調節劑。在該研究中，纖維素和半纖維素相關基因的同源物由FON1感染誘導。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-木質素生物合成途徑中的基因表達在感染（3 dpi）的后期誘導，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病理系統中，參與木質素生物合成的酶在24 hpi被誘導，并在48 hpi達到峰值，在感染的早期（3 dpi）和晚期（5 dpi）階段誘導了一組包括PAL、4CL、CHS、CHR的基因。木質素的生物合成被確定為感染枯萎病棉花的潛在防御反應。這些結果表明，木質化似乎也是宿主-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。這與先前的觀察結果一致，即在枯萎真菌病原體感染后，發現許多氧化應激相關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，還可作為誘導防御基因的第二信使。在FON1感染的西瓜根中與ROS產生相關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JA生物合成基因被強烈誘導并且表達水平保持更長。結果顯示，誘導表達的時間是感染的早期（4-12hpi）階段。這些結果表明，JA在宿主-病原體相互作用的防御反應中的作用。由于西瓜和FON1之間非親和互作所涉及的大多數分子機制尚未確定，因此，本研究中鑒定的大量基因將作為進一步研究的候選者。

結? ? 論：通過轉錄組分析，共篩選出679個上調基因和708個下調基因。包括轉錄因子、信號/調節基因、轉運蛋白基因、細胞壁修飾基因、氧爆發相關的基因和防衛基因等。早期多是調控類的基因如轉錄因子、蛋白激酶等信號調控基因，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，很少是持續性。驗證了JA和木質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分子機制尚未確定，因此本研究中鑒定的大量基因將作為進一步研究的候選者。