徐佳競,石善黨,王中華,任慧莉,汪 勇,李春蓮
(西北農林科技大學農學院,陜西楊凌 712100)
小麥赤霉病(Fusarium head blight,FHB)是由多種鐮刀菌引起的流行性真菌病害,廣泛發生在世界的溫暖潮濕地帶。在我國,小麥赤霉病最主要的病原菌是禾谷鐮刀菌群(Fusariumgraminearumcomplex),占所有病原菌的94.5%[1]。小麥感染赤霉病后,小穗發黃枯萎,而且籽粒還會產生脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(Deoxynivalenol,DON)等多種真菌毒素,危害人畜健康。為了保障小麥生產安全,尋找有效的赤霉病防治手段并培育高抗赤霉病的小麥品種顯得尤為重要。1974年至今,全國共計數萬份小麥材料經過赤霉病抗性鑒定,篩選出了一批優秀的抗赤霉病種質資源,極大地推動了我國乃至全球范圍內小麥赤霉病抗性的研究進程[2-3]。小麥對赤霉病的抗性分為5種類型:抗侵入型、抗擴展型、籽粒抗感染、耐病型和抗毒素積累。小麥的株高、芒的有無、穎殼張開程度等穗部形態特征都會影響其赤霉病抗性[4-5]。感染赤霉病后,抗病小麥品種的細胞壁變厚,細胞壁中的木質素大量積累,DON去毒化反應速度加快。水楊酸、茉莉酸等多種植物激素、多種酶類以及病程相關蛋白等被證實與赤霉病抗性相關[6-7]。目前,研究者已經檢測到數百個抗赤霉病QTL,明確的抗赤霉病基因(QTL)有小麥3BS染色體上的Fhb1、6BS染色體上的Fhb2、4B染色體上的Fhb4等[8-9]。
近年來生物信息學和轉錄組學、蛋白組學、代謝組學的快速發展為全面解析小麥赤霉病抗病機制帶來了新途徑。轉錄組測序技術通過新一代高通量測序技術,對樣品整個cDNA進行測序,可以從轉錄層面便捷全面地了解樣品中基因的表達。Xiao等[10]應用轉錄組測序技術揭示了小麥接種禾谷鐮刀菌后的基因表達情況。Gottwald等[11]通過轉錄組技術分析了抗、感赤霉病的小麥材料接種病菌前后的基因表達差異,推測出兩種可能的赤霉病抗性機制。Schweiger等[12]利用轉錄組學方法挖掘出了與抗赤霉病相關的脂質轉移酶(LTP)基因和UDP-葡萄糖基轉移酶(UTG)基因。同時,Li[13]通過基因功能驗證證實,UDP-葡萄糖基轉移酶基因具有赤霉病抗性。由此可見,轉錄組測序在篩選及挖掘抗病基因方面發揮著重要作用。
小麥品種西農979是由西北農林科技大學育成的冬性早熟、高產優質、綜合抗性強的優良品種,于2005年通過國審,截止2017年累計推廣面積約860×104hm2,是關中和黃淮麥區重要的小麥品種,經中國農科院植保所鑒定,對赤霉病表現為中抗[14]。張玲麗等[15]經過多年多點跟蹤調查證實,西農979對小麥赤霉病具有良好的田間抗性。本研究擬利用轉錄組測序技術,全面分析西農979及感病品種周麥18在被禾谷鐮刀菌侵染后的基因表達差異,為深入挖掘西農979的抗病基因及揭示其抗病機理奠定基礎,為今后小麥赤霉病抗源的有效利用提供理論指導。
供試植物材料中抗赤霉病小麥品種西農979和感赤霉病小麥品種周麥18均由西北農林科技大學農學院小麥遺傳育種新技術創新團隊提供。供試材料種植于西北農林科技大學試驗田及溫室,其中,試驗田中的材料用于田間發病情況調查,而溫室中的材料用于轉錄組測序。供試的禾谷鐮刀菌菌株BN-8由西北農林科技大學植物保護學院提供。
采用單花滴注法接種赤霉病菌。開花期的小麥在穗軸中部左右兩個基部小花各接種10 μL禾谷鐮刀菌BN-8孢子液(濃度約為1×105個·mL-1),接種后將小穗套袋保濕,20 h后摘袋,接種后第21天觀察記錄赤霉病的發病情況。依據《中華人民共和國國家標準—小麥赤霉病測報技術規范》(GB/T15796-2011)[16],調查西農979和周麥18出現穗腐癥狀的發病小穗數及小穗病情嚴重度。計算病情指數,用以反映病害發生的平均水平和嚴重程度。
溫室中,西農979和周麥18接種赤霉病菌的方法同1.2。待材料開花后,于接種病菌前先取西農979的整穗穎殼,然后對西農979和周麥18的小穗接種禾谷鐮刀菌株BN-8,并分別在接種12、24和96 h后取西農979與周麥18整穗穎殼,于-80 ℃保存備用。
樣品總RNA的提取按照RNAprep Pure Plant Kit(TIANGEN, China)試劑盒提供的操作流程進行,獲取總RNA后,使用Transcriptor First Strand cDNA Synthesis Kit(Roche, Basle, Switzerland)試劑盒反轉錄cDNA第一鏈,再經cDNA第二鏈合成、末端修復、連接測序接頭和電泳切膠回收,得到cDNA,并進行測序。以上工作在北京百邁客生物科技有限公司完成。
使用Illumina高通量測序平臺對cDNA文庫進行測序,每個處理進行3次生物學重復。測序產出大量高質量的原始數據(Raw data),經過測序質量控制得到Clean data。使用HISAT2[17]將中國春基因組作為參考進行序列比對,利用StringTie[18]對比對上的Reads進行組裝和定量。采用FPKM[19](Fragments Per Kilobase of transcript per Million fragments mapped)作為衡量轉錄本或基因表達水平的指標,對樣品中Mapped Reads的數目和轉錄本長度進行歸一化,使片段數目能真實地反映轉錄本的表達水平。
使用DEseq[20]進行有生物學重復的兩組樣品間的差異表達分析,將Fold Change≥4且FDR<0.001作為篩選標準。差異倍數(Fold change)指兩樣品組間表達量的比值。錯誤發現率(False discovery rate,FDR)通過Benjamini-Hochberg校正方法對原有假設檢驗得到的顯著性P值(Pvalue)進行校正得到。隨后,對差異表達基因進行GO(Gene ontology)(http://www.geneontology.org/)和KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)(http:// www.genome.jp/kegg)基因注釋和通路富集 分析。
選取7個轉錄組測序得到的差異表達基因,根據其全長cDNA序列,使用Primer Premier 5.0設計引物,以小麥TaActin基因為內參(表1)。使用FastKing RT Kit(With gDNase)(TIANGEN, China)試劑盒將樣品RNA反轉錄為cDNA,按照SYBRGreen Realtime PCR Master Mix(QPK-201)說明書的反應體系和反應條件,使用ABI 7500 Real-Time PCR System(Life Technologies, America)進行熒光定量PCR反應,按照2-△△Ct算法計算基因相對表達量,每個樣品進行4次技術重復。

表1 熒光定量PCR所用引物Table 1 Primers used for real-time PCR
田間抗性鑒定結果表明,西農979病情嚴重度為0~2級,其中,0級2穗,1級15穗,2級3穗,75%的接種小穗為1級,病情指數為26.25;而周麥18病情嚴重度為0~4級,0級1穗,1級9穗,2級2穗,3級4穗,4級4穗,病情指數為51.25。小麥品種西農979與周麥18相比,具有較好的赤霉病田間抗性。
本研究取未接種的西農979小穗穎殼及接種后12 h、24 h、96 h的西農979和周麥18的小穗穎殼,每個處理3個重復,共計21組樣品進行轉錄組測序分析。經質量控制,共獲得135.33 Gb Clean data,每個處理的測序深度為6.18~ 6.84 Gb,測序質量Q30堿基百分比在 93.62%~ 94.88%之間,GC含量在53.65%~55.67%之間(表2)。分別將各處理的Clean reads與中國春參考基因組進行序列比對,比對效率為 86.05%~89.59%,表明轉錄組測序質量好,與參考基因組的比對率高。

表2 轉錄組測序結果與比對效率Table 2 Transcriptome sequencing results and alignment efficiency
本研究篩選了在接種病菌后12、24、96 h三個時間點未接種的西農979與接種的西農979(稱為對照組合)之間的差異表達基因和接種的周麥18與接種的西農979(稱為實驗組合)之間的差異表達基因。結果(表3)顯示,對照組合和實驗組合在三個時間點均出現不同數量的差異表達基因,24 h時差異表達基因個數最多,分別為 3 140和8 864。使用韋恩圖展現差異表達基因,發現兩個組合在12、24、96 h時共同差異表達基因個數分別為14、1 978、142(圖1A、1B、1C)。其中,有1個基因在12、24 h時都出現差異表達,11個基因在24和96 h時都出現差異表達,沒有在三個時間點均出現差異表達的基因(圖1D)。綜合三個時間點的數據,共篩選出2 122個共同差異表達基因,這些基因可能與西農979的赤霉病抗性有關。

表3 各樣本間差異表達基因統計Table 3 Statistics of differentially expressed genes between samples
將2 122個共同差異表達基因與GO數據庫進行比對,有1 713個基因被注釋,可分為生物過程、細胞組分、分子功能3個大類和43個亞類(圖2)。其中,生物過程大類含有18個亞類,基因數量最多的3個亞類是代謝過程、細胞過程和單有機體過程,分別為830、735和648個,此外還有應激反應、生物調控、信號轉導、解毒作用、免疫系統過程等亞類;細胞組分大類含13個亞類,細胞部件和細胞亞類包含基因數最多,均為991個,其次是細胞器亞類,含851個,膜、細胞器部件、膜部件含有的基因也較多,大分子復合物、細胞胞外區域等所含基因較少;分子功能大類包含有12個亞類,其中涉及結合和催化活性的基因最多,分別有805和734個,其余亞類為轉運活性、電子轉運活性、核酸結合轉錄因子活性、抗氧化活性、轉錄因子活性等。

A:接種后12 h差異表達基因韋恩圖;B:接種后24 h差異表達基因韋恩圖;C:接種后96 h差異表達基因韋恩圖;D:接種后12、24、96 h共同差異表達基因韋恩圖。
將共同差異表達基因與KEGG數據庫進行比對,有405個基因得到注釋,共涉及到89條信號通路。這些通路中有70條參與代謝,10條參與遺傳信息過程,4條參與細胞過程,3條參與環境信息過程,2條參與有機系統。其中,內質網中的蛋白質加工通路中富集的基因最多,有48個,約占11.85%;其次是光合作用-天線蛋白通路,包含41個差異基因,約占10.12%;淀粉和蔗糖代謝通路中注釋到30個差異基因,約占7.41%;27個差異基因參與植物激素信號轉導通路,約占 6.67%(圖3)。植物-病原體相互作用通路中富集到19個差異基因,谷胱甘肽代謝、磷酸戊糖途徑等與植物抗性相關的通路中也含有較多差異基因。此外,KEGG比對結果中還涉及多種氨基酸、維生素、糖類、酯類及萜類物質的合成代謝通路。在通路富集顯著性上,差異基因在光合作用-天線蛋白、植物晝夜節律、內質網中的蛋白質加工、萜骨架的生物合成及類胡蘿卜素的生物合成等通路中的富集最為顯著(表4)。

表4 差異表達基因顯著富集的KEGG通路Table 4 KEGG pathways significantly enriched by differentially expressed genes

1:代謝過程;2:細胞過程;3:單有機體過程;4:應激反應;5:生物調控;6:定位;7:細胞組分組織或生物合成;8:發育過程;9:多細胞組織過程;10:生殖;11:生殖過程;12:多有機體過程;13:信號轉導;14:生長;15:解毒作用;16:免疫系統過程;17:生物黏附;18:節律過程;19:細胞部件;20:細胞;21:細胞器;22:膜;23:細胞器部件;24:膜部件;25:大分子復合物;26:細胞胞外區域;27:膜結合蛋白;28:細胞連接;29:超分子復合物;30:細胞外區域部分;31:類核;32:結合;33:催化活性;34:轉運活性;35:電子轉運活性;36:核酸結合轉錄因子活性;37:結構分子活性;38:抗氧化活性;39:分子功能調節器;40:信號轉導活性;41:分子轉導活性;42:營養庫活性;43:轉錄因子活性,蛋白質結合。
根據共同差異表達基因的注釋情況,對其進行功能歸類,有27個基因被歸入在植物抗病反應中扮演重要角色的植物激素信號轉導通路中。其中,與生長素相關的基因最多,有12個;與茉莉酸和赤霉素相關的基因最少,各有3個;9個基因與脫落酸有關(表5)。沒有發現與乙烯及水楊酸相關的共同差異表達基因。此外,有3個基因參與玉米素生物合成和1個基因參與油菜素類固醇生物合成。在植物—病原體互作通路中有10個基因參與病原物相關分子模式觸發免疫(PTI),9個基因與效應子觸發免疫(ETI)相關(表5)。PTI中的1個鈣調素基因(CALM)也參與磷酸肌醇信號通路;參與ETI的4個分子伴侶HtpG基因(HSP90A,htpG)及4個熱休克蛋白 90 kDa beta基因 (HSP90B,TRA1)也出現在內質網中的蛋白質加工通路中。此外,還篩選到一些脫毒相關蛋白基因,包括2個UDP-葡萄糖基轉移酶基因、9個谷胱甘肽轉硫酶(GST)基因和3個ATP結合盒轉運蛋白(ABC transporter)基因。

表5 共同差異表達基因功能歸類Table 5 Functional classification of common differentially expressed genes

1:胞吞作用;2:過氧化物酶體;3:吞噬體;4:植物激素信號轉導;5:內質網中的蛋白質加工;6:剪接;7:泛素介導的蛋白水解;8:核糖體;9:蛋白質輸出;10:光合作用—天線蛋白;11:淀粉和蔗糖代謝;12:碳代謝;13:苯丙烷生物合成;14:萜類骨架的生物合成;15:半乳糖代謝;16:谷胱甘肽代謝;17:氨基酸的生物合成;18:糖酵解/糖異生;19:甘油磷脂代謝;20:半胱氨酸和蛋氨酸的代謝;21:甘油脂代謝;22:類胡蘿卜素的生物合成;23:光合作用;24:泛醌和其他萜類醌的生物合成;25:磷酸戊糖途徑;26:果糖和甘露糖代謝;27:硫代謝;28:脂肪酸代謝;29:光合生物中的碳固定;30:不飽和脂肪酸的生物合成;31:莨菪烷,哌啶和吡啶生物堿的合成;32:丙酮酸代謝;33:苯丙氨酸代謝;34:酪氨酸代謝;35:牛磺酸和牛磺酸的代謝;36:類固醇生物合成;37:甘氨酸,絲氨酸和蘇氨酸的代謝;38:類黃酮生物合成;39:氰氨基酸代謝;40:角質,琥珀和蠟的生物合成;41:花生四烯酸代謝;42:苯丙氨酸,酪氨酸和色氨酸的生物合成;43:脂肪酸延長;44:脂肪酸生物合成;45:生物素代謝;46:抗壞血酸和藻酸鹽代謝;47:硫胺素代謝;48:維生素B6代謝;49:晝夜節律-植物;50:植物病原體相互作用。
轉錄組測序結果中差異基因的表達情況顯示,植物激素信號轉導通路中的27個基因均在接種后24 h于對照組合和實驗組合中同時出現差異表達。其中,蛋白磷酸酶2C基因、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶SRK2基因和ABA反應元件結合因子基因上調表達;生長素內流載體基因、脫落酸受體PYR/PYL家族基因、冠菌素不敏感蛋白1基因和茉莉酸ZIM結構域蛋白基因下調表達;生長素響應蛋白基因有2個下調表達,4個基因上調表達;SAUR家族蛋白基因有2個基因下調表達,3個基因上調表達;光敏色素互作因子基因有1個基因下調表達,2個基因上調表達。在植物-病原體互作通路的19個基因中,除鈣調素基因在接種后96 h同時出現上調表達外,其余18個基因均在接種后24 h出現差異表達。其中,鈣結合蛋白基因、抗病蛋白RPM1基因、分子伴侶HtpG基因和熱休克蛋白 90 kDa beta基因上調表達;絲裂原活化蛋白激酶激酶 4/5基因下調表達;WRKY轉錄因子33基因在對照組合中下調表達而在實驗組合中上調表達。
為驗證轉錄組測序結果數據的準確性,選取分子伴侶HtpG、絲裂原活化蛋白激酶激酶4/5、熱休克蛋白90 kDa beta、冠菌素不敏感蛋白1、ABA反應元件結合因子和生長素內流載體共6個于24 h時在對照組合和實驗組合中同時呈現差異表達的基因及在96 h時出現共同差異表達的1個鈣調素基因,設計引物,進行熒光定量PCR。結果(表6)顯示,這些基因表達趨勢與轉錄組測序所得結果基本一致,證明測序結果準確。

表6 熒光定量PCR結果與轉錄組測序結果對比Table 6 Comparison of real-time PCR results with RNA-seq results
本研究對病菌接種后12、24和96 h的西農979和周麥18的穎殼進行了轉錄組測序分析,以未接種的西農979穎殼作為對照,獲得了抗感赤霉病的兩小麥品種經禾谷鐮刀菌侵染后的基因表達情況。將接種的西農979與未接種的西農979稱為對照組合,接種的西農979與接種的周麥18稱為實驗組合,按對應的時間點對樣品進行差異表達基因篩選。對照組合篩選到的基因反映了西農979接種禾谷鐮刀菌后基因表達的變化情況,包含了西農979中所有對病菌侵染作出響應的基因。實驗組合篩選到的基因則反映了西農979和周麥18被病菌侵染后基因表達的差異情況,其中包含赤霉病抗性相關基因以及因品種不同背景產生的差異表達基因,不包括兩品種共有的響應病菌侵染的部分基因。將篩選到的兩組差異基因取交集,即可排除兩小麥品種種質背景的差異,得到西農979相對于周麥18特有的赤霉病抗病基因,這些基因可能賦予了西農979比周麥18更強的赤霉病抗性。
共同差異表達基因的GO功能注釋結果說明,小麥品種西農979對赤霉病的抗性反應主要發生在細胞內部,涉及細胞器、膜結構等組分,同時也發生在細胞連接和細胞外部區域等部位,通過調節結合、催化活性、轉運活性、信號轉導活性、轉錄因子活性以及抗氧化活性等分子功能,引起代謝過程、細胞過程和單有機體過程為主,生物調控、信號轉導、解毒作用、免疫系統過程等一系列生物過程的協同變化,抵抗病菌的入侵,減輕其毒素的毒害作用。共同差異表達基因的KEGG通路分析結果中涉及到的代謝通路可能與西農979的赤霉病抗性有關。除抗病相關通路外,結果中還涉及到谷胱甘肽、多種氨基酸、維生素、糖類、酯類等多種物質的合成代謝通路,這些物質有些是植物激素的前體物質,有些可能對赤霉病抗性有直接影響,有些則可能進一步形成影響赤霉病抗性的物質。顯著富集的代謝通路中共同差異基因的富集程度顯著高于其他代謝通路,對揭示西農979赤霉病抗性機理具有較大參考價值。在兩組合的共同差異表達基因中出現了部分與晝夜節律相關和光合作用相關的基因,除了病菌入侵所致外,還可能與樣品的取樣時間有關。取樣的時間不同,植物可能處于不同的生物節律時期,相關基因表達出現差異,而取樣時植物所處的不同光照條件會對光合作用相關基因的表達產生部分影響。提前處理樣品,統一取樣時間,有助于減少生物節律及光照等環境條件變化造成的干擾。
前人研究表明,遭受病原菌入侵時,植物會通過茉莉酸、水楊酸和乙烯等信號分子及復雜的信號網絡激發抗病基因的表達,進而產生對病原菌的抗性[8]。本研究在植物激素信號轉導通路中篩選到27個共同差異表達基因,涉及生長素、脫落酸、赤霉素和茉莉酸通路。在測序結果中沒有篩選到水楊酸和乙烯等通路的相關基因,提示這些信號通路沒有參與西農979赤霉病抗性的產生過程。事實上,前人對水楊酸和乙烯等途徑在小麥赤霉病抗性上所起作用的研究結果有很大差異。馬 信[6]利用水楊酸處理感病小麥品種的穗部后發現其赤霉病發病率顯著下降,認為水楊酸在小麥抗赤霉病中起重要作用。而Xiao等[10]在抗病小麥品種望水白和其感病突變體NAUH117的對比研究中發現水楊酸途徑沒有參與抗禾谷鐮刀菌侵染的響應過程。本研究關注了水楊酸信號通路中的基因在本實驗幾組樣品中的表達情況,發現對照組合僅在病菌侵染96 h時有2個病程相關蛋白(Pathogensis-related protein 1,PR1)基因出現差異表達,受到病菌入侵后西農979中水楊酸通路信號轉導出現了變化,但這兩個基因在實驗組合中沒有顯著的表達差異,說明它們不是導致西農979比周麥18赤霉病抗性更強的關鍵基因,我們推測水楊酸通路與西農979的赤霉病抗性無太大關系。乙烯雖然是植物防御病原菌入侵的重要觸發信號,但乙烯通路對小麥赤霉病抗性的作用尚存在爭議[7]。本研究沒有篩選到乙烯通路上的相關基因,推測西農979的赤霉病抗性與乙烯通路無關。以上結果表明,在植物激素信號轉導的復雜網絡中,生長素、脫落酸、赤霉素和茉莉酸通路及相關差異表達基因與西農979的赤霉病抗性有密切的關系,應是后續研究的重點。植物—病原體互作通路與植物對病原物入侵的響應關系密切,本研究篩選到7類共19個該通路上的相關基因,推測它們在西農979抗禾谷鐮刀菌入侵時發揮了重要作用。這些基因有些已被證實與小麥赤霉病抗性相關,如小麥中轉錄因子TaWRKY45基因超量表達會使轉基因小麥對赤霉病的抗性顯著提高[21]。然而另一些基因與赤霉病抗性相關的報道較少,具有進一步探究的 價值。
植物體內還有許多具有抗性功能的分子,病程相關蛋白(PRs)、脫毒相關蛋白、抗菌肽(AMPs)和一些轉錄因子等都可能參與植物的抗病過程。UDP-葡萄糖基轉移酶是典型的脫毒相關蛋白,它能將禾谷鐮刀菌分泌的DON毒素糖基化,減弱其毒性,這是小麥赤霉病抗擴展型抗性的一種重要途徑[22]。UDP-葡萄糖基轉移酶基因、谷胱甘肽轉硫酶基因和ATP結合盒轉運蛋白基因均與禾谷鐮刀菌產生的單端孢霉烯族毒素類(如DON毒素)的去毒化反應有關[23-25]。在本研究中,我們篩選到2個UDP-葡萄糖基轉移酶基因、9個谷胱甘肽轉硫酶(GST)基因和3個ATP結合盒轉運蛋白基因,這些基因在DON毒素脫毒方面發揮著重要作用,是西農979赤霉病抗性的重要組成部分,有必要進一步驗證它們的功能,探究它們在小麥赤霉病抗性反應中的具體作用機制。
最近,Su等[26]和Li等[27]分別成功克隆了小麥3BS染色體上的抗赤霉病QTL位點Fhb1,該基因編碼一個富含組氨酸的鈣結合蛋白,禾谷鐮刀菌侵染后Fhb1基因的表達量會顯著上調。此前,張玲麗等[15]通過分子鑒定方法發現西農979具有與高抗赤霉病小麥品種蘇麥3號相同的抗病基因Fhb1。在本研究中,我們使用BLASTn找到了西農979和周麥18中3BS染色體上的Fhb1基因,發現西農979中該基因在病菌接種前后表達量沒有發生顯著變化,而與接種后的周麥18相比,接種后的西農979中Fhb1基因的表達量更低,這說明禾谷鐮刀菌的侵染沒有誘導西農979中3BS染色體上Fhb1基因的表達,該基因可能沒有參與西農979對小麥赤霉病的抗性反應。我們推測西農979中可能還存在著其他抗赤霉病基因。
本研究通過轉錄組測序的方法,鑒定了抗赤霉病小麥品種西農979的抗赤霉病基因,揭示了西農979在抗小麥赤霉病過程中的基因調控情況,為今后進一步挖掘小麥抗赤霉病基因、驗證基因功能、闡釋小麥抗赤霉病的分子機制提供了 依據。