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PCE解读|全长转录组和代谢组分析揭示了甜瓜对蔓枯病的防御响应

 
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英文标题:Integrated full‐length transcriptome and metabolome analysis reveals the defence response of melon to gummy stem blight

发表期刊:Plant, Cell & Environment

发表时间:2024.2.12(IF:7.3,生物学一区TOP)

通讯作者:孔秋生教授,华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、园艺林学学院

 

研究背景

 

蔓枯病(Gummy Stem Blight, GSB)是影响葫芦科作物种植生产的一种主要的毁灭性真菌病害,在有利于病原菌生长的条件下,露地栽培的甜瓜发病率可达25%,设施栽培甜瓜的发病率可达80%,发病后的产量损失可达100%,严重阻碍了甜瓜产业的健康发展。目前,甜瓜蔓枯病的防治主要依赖化学药剂,然而过度使用杀菌剂会使病原菌的耐药性增加,同时不可避免地对环境和食品安全造成负面影响。因此,研究甜瓜对蔓枯病病原菌入侵作出的防御响应及抗性机理,对于甜瓜抗蔓枯病遗传改良具有重要意义。

 

本研究选择了抗性品系(PI511089)和易感品系(Payzawat)两种甜瓜品系,并基于全长转录组和广泛靶向代谢组学方法确定了它们对蔓枯病的防御反应。结果显示,MAPK信号通路和可变剪接事件参与了甜瓜对蔓枯病病原体感染的防御反应。代谢组学分析显示,柚皮素和草酸可能是甜瓜抵抗蔓枯病的潜在标志代谢物。该结果有望为我们全面理解甜瓜在转录和代谢水平上对蔓枯病的防御反应机理提供依据,并为阐明甜瓜抵抗蔓枯病的抗性机制提供有价值的信息。

 

全长转录组测序在该研究中通过提供基因表达、可变剪接及新基因的全面视图,深刻揭示了甜瓜应对蔓枯病的分子防御机制,特别是参与MAPK信号通路和次生代谢物合成的关键过程。

 

研究结果

 

1. GSB病原真菌在甜瓜叶片上的生长情况

通过台盼蓝染色观察了蔓枯病病菌在两种甜瓜品系PI511890(抗性)和Payzawat(易感)叶片上的生长动态。结果显示,在易感品系Payzawat上,病原菌发展迅速,12小时后可见大量芽管和菌丝,24小时后附着胞形成,至72小时已侵入叶片表皮。相比之下,抗性品系PI511890的病原菌发展滞后,24小时才出现较多芽管,整个过程中菌丝生长缓慢。由此可见,PI511890品系能够有效抑制GSB病原菌的生长。24小时是区分两个品种抗性反应差异的关键时间点。

 

2. GSB病原菌接种后甜瓜叶片中H2O2和O2−的积累

研究通过DAB和NBT染色法在不同时间点检测了两种甜瓜品系PI511890和Payzawat感染GSB后H2O2和O2−的积累。结果表明,Payzawat品系在24小时后表现出更显著的H2O2积累,两品系叶片中O2−的积累模式相似,且Payzawat在24小时O2−积累显著超过PI511890。PI511890中较低的活性氧积累暗示其可能通过维持更好的活性氧稳态来抵抗GSB。

 

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图1 PI511890和Payzawat叶片中GSB病原真菌的生长及H2O2和O2−的积累

 

3. 差异表达基因的鉴定和功能富集分析

研究选取了关键时间点感染24小时后的样本进行全长转录组测序,鉴定了两种甜瓜品系(Payzawat和PI511890)在感染GSB病原菌后的差异表达基因(DEG)。KEGG分析揭示,丙酮酸代谢等途径在两品系中普遍响应于GSB感染,而PI511890侧重于次生代谢物合成和MAPK信号传导,这可能有助于其抗性;相反,Payzawat的防御反应更多集中在碳水化合物和氨基酸代谢上。因此,两个品系通过激活不同的代谢和信号途径来应对GSB病原菌的侵袭,体现了它们在防御机制上的差异。

 

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图2 差异表达基因的鉴定和功能富集分析

 

4. 新转录本、新基因鉴定以及可变剪切分析

与对照相比,在GSB病原菌感染的PI511890和Payzawat中观察到更多的新基因及其剪接体。在感染后的Payzawat和PI511890中分别鉴定出1071和1138个特异性新基因。KEGG富集分析显示,MAPK信号通路在PI511890中的新基因中特异性富集,但在Payzawat中的新基因中未富集。

 

AS作为一种重要的调节机制,通过产生多样化的转录本来微调植物对环境刺激的反应。在这项研究中,检测到包括7种AS类型,共11,793个AS事件。A3和A5是最主要的AS事件类型,分别占43.44%和38.86%。AS事件参与了甜瓜对GSB病原菌感染的防御反应,并在Payzawat和PI511890之间表现出显著差异。

 

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图3 全长转录组分析

 

5. 差异代谢物鉴定和功能富集分析

对感染24小时的样本进行的广泛靶向代谢组学分析揭示了两种甜瓜品系(PI511890和Payzawat)在应对GSB病原菌时的代谢变化。研究鉴定了910种代谢物,黄酮类化合物占比最高,达22.53%。感染后,PI511890和Payzawat分别有132和153种差异积累代谢物(DAMs),其中36种DAMs在两品种中均发生变化,参与多种防御相关代谢途径,如苯丙素和植物激素生物合成,草酸和柚皮素在抗性品种中积累增多。这些发现强调了两个甜瓜品系通过不同的代谢调节机制来应对GSB感染,其中特定的黄酮类化合物和草酸、金黄菊素等代谢物,可能是衡量抗性的重要指标。

 

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图4 代谢物的分类和差异累积代谢物的鉴定

 

6. 全长转录组和代谢组整合分析

全长转录组和代谢组整合分析深入揭示了甜瓜应对GSB病原菌的复杂防御机制。研究发现,在抗性品系PI511890和易感品系Payzawat中,尽管各自在转录和代谢层面富集了多条不同的KEGG途径以响应感染,但两者均显著上调了苯丙素生物合成途径,该途径中的多数基因表达上调,伴随特定代谢产物如柚皮素在PI511890中特异累积,而芹菜素则在Payzawat中特异累积。另外,乙醛酸和二羧酸代谢途径在PI511890中显著变化,表现为草酸的增加,指示其在抗性反应中的潜在作用。综上,柚皮素和草酸被识别为潜在的抗性标记物,而甜瓜对GSB的防御反应涉及多层次、多途径的精细调控,包括基因表达调控和代谢物的动态调节。

 

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图5 全长转录组和代谢组的整合分析

 

研究结论

 

本研究利用全长转录组测序和广泛靶向代谢组学技术,研究了GSB病原体感染24小时后,抗病(PI511089)和感病(Payzawat)两种甜瓜品系对GSB病原体感染的防御反应。结果显示,在抗病品系PI511890中,差异表达基因特异性富集于次生代谢物生物合成及MAPK信号通路。总体上,在Payzawat和PI511890中鉴定了共计910种代谢物,其中黄酮类化合物为主要的代谢物类型。通过整合全长转录组和代谢组数据分析,发现柚皮素和草酸可能作为甜瓜对GSB抗性的重要潜在标志代谢物。这些研究成果不仅深化了我们对甜瓜与GSB互作机制的认识,还为培育具有GSB抗性的甜瓜品种提供了有益的遗传改良依据。

 

参考文献:

Wang H, et al. Integrated full-length transcriptome and metabolome analysis reveals the defence response of melon to gummy stem blight. Plant Cell Environment. 2024. doi:10.1111/pce.14865

 

 


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