西瓜与枯萎病菌非亲和互作中的转录组学分析

吕桂云 郭绍贵 张海英 耿丽华 宋凤鸣 费章君 许勇

目的与意义：西瓜是世界上最重要的蔬菜作物之一，约占世界蔬菜生产总面积的6%。由土壤传播的真菌病原体半知菌亚门镰孢属尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum f.sp. niveurn）引起的枯萎病，是西瓜最具破坏性的疾病。通过基因表达图谱分析西瓜与枯萎病菌非亲和互作的分子机制，揭示出西瓜与枯萎病菌非亲和互作中所涉及的基因，初步了解了西瓜与枯萎病菌非亲和互作过程中基因表达信息。为西瓜抗枯萎病育种和病害防治奠定理论基础。

材料与方法：采用代表8 000多个转录本的Agilent公司寡核苷酸的西瓜表达谱芯片，研究FON感染后抗性品系不同阶段西瓜的基因表达变化。使用定量实时PCR（qRT-PCR）进一步研究西瓜和FON非亲和互作中茉莉酸（JA）和莽草酸-苯丙烷-木质素生物合成途径中的基因的表达模式。利用绿色荧光蛋白（GFP）标记FON1，通过激光共聚焦显微镜观察病原菌在西瓜根系的附着、侵染和定殖等过程。

结果与分析：转录组分析中，我们鉴定了大量属于编码AP2/ERF，WRKY和MYB家族的转录因子的基因，并发现它们的表达在FON1感染后显着改变。已经证明ERF转录因子在调节植物对环境胁迫的反应中起关键作用，与一些ERF基因的差异表达一致，FON1感染还上调了许多参与乙烯生物合成的基因。观察到不同的MYB基因在FON1感染后，西瓜中显示出不同的表达模式。一个MYB基因WMU2748类似于来自烟草由伤口和诱导子诱导并且能够正调节发病相关的基因表达，但MYB转录因子的另外2个同源物被抑制。这些结果表明，不同的MYB转录因子可能在FON1感染后发挥不同的功能。研究中，FON1诱导WRKY转录因子（08042807T_5_33_A05）的表达，进一步支持WRKY基因似乎是响应病原体的植物防御的一般调节剂。在该研究中，纤维素和半纤维素相关基因的同源物由FON1感染诱导。这些多糖被认为在感染部位起物理强化作用。另一方面，莽草酸-苯丙烷-木质素生物合成途径中的基因表达在感染（3 dpi）的后期诱导，但在非亲和互作中没有变化或被抑制。这与先前的报道一致，即西瓜根的木质素含量明显高于西瓜和FON之间的亲和互作作用。在小麦-Pst病理系统中，参与木质素生物合成的酶在24 hpi被诱导，并在48 hpi达到峰值，在感染的早期（3 dpi）和晚期（5 dpi）阶段诱导了一组包括PAL、4CL、CHS、CHR的基因。木质素的生物合成被确定为感染枯萎病棉花的潜在防御反应。这些结果表明，木质化似乎也是宿主-病原体相互作用的后期（2～8 dpi）阶段的主动抗性机制。编码参与ROS的许多基因在FON1感染西瓜中被激活。这与先前的观察结果一致，即在枯萎真菌病原体感染后，发现许多氧化应激相关基因在棉花和黄瓜中差异表达。ROS不仅可作为过敏性细胞死亡的局部信号，还可作为诱导防御基因的第二信使。在FON1感染的西瓜根中与ROS产生相关的基因的差异表达表明ROS也可能參与西瓜和FON1之间的非亲和互作作用。然而，这种假设需要通过测量感染FON后西瓜根中ROS的变化来进一步检验。在抗性西瓜系中，与易感植株相比，大多数JA生物合成基因被强烈诱导并且表达水平保持更长。结果显示，诱导表达的时间是感染的早期（4-12hpi）阶段。这些结果表明，JA在宿主-病原体相互作用的防御反应中的作用。由于西瓜和FON1之间非亲和互作所涉及的大多数分子机制尚未确定，因此，本研究中鉴定的大量基因将作为进一步研究的候选者。

结    论：通过转录组分析，共筛选出679个上调基因和708个下调基因。包括转录因子、信号/调节基因、转运蛋白基因、细胞壁修饰基因、氧爆发相关的基因和防卫基因等。早期多是调控类的基因如转录因子、蛋白激酶等信号调控基因，在接种后期5～8 dpi多是些有实际作用的代谢途径中的蛋白和酶，且基因的表达多是瞬时的，很少是持续性。验证了JA和木质素生物合成途径在西瓜与枯萎病菌的互作过程起重要作用，JA在西瓜与枯萎病菌互作早期起作用，木质素则相对在晚期。由于西瓜和FON1之间非亲和互作所涉及的大多数分子机制尚未确定，因此本研究中鉴定的大量基因将作为进一步研究的候选者。