挪威云杉与Heterobasidion annosum s.s.互作中基因型×基因型互作揭示抗性响应的转录模式

本研究针对挪威云杉（Picea abies）与根腐病原Heterobasidion annosum s.s.之间的定量抗病性（QDR）机制不明确的问题，通过基因型×基因型互作分析，揭示了不同寄主-病原组合中抗性表型及转录重编程的差异。研究发现寄主基因型是早期病斑表型的主要决定因素，且不同互作呈现独特的转录响应模式，其中富含亮氨酸重复（LRR）基因的上调与较高抗性相关。该研究为理解森林树种QDR的分子基础提供了新见解。

　　

在北方森林生态系统中，由Heterobasidion annosum物种复合体引起的根腐病是造成挪威云杉（Picea abies (L.) Karst）重大经济损失的主要病害之一，导致木材腐朽、树木生长减缓并增加风倒风险。与由大效应抗病基因控制的定性抗性不同，树木对该病原的抗性通常表现为定量疾病抗性（Quantitative Disease Resistance, QDR），即由多个微效基因控制的连续表型变异。尽管已知寄主和病原体的遗传变异均会影响病害结果，但调控QDR的具体分子网络以及寄主与病原基因型间互作（G×G）如何影响抗性策略的激活仍不清楚。

为解决这一问题，由Hernan D. Capador-Barreto领衔的研究团队在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果。他们通过整合表型鉴定与转录组学分析，深入探索了挪威云杉与H. annosum s.s.互作中基因型特异性响应机制。该研究不仅证实了寄主基因型在早期抗性中的主导作用，更揭示了不同寄主-病原互作组合中独特的转录重编程模式，其中富含亮氨酸重复序列（Leucine Rich Repeat, LRR）的基因表达变化与抗性水平密切相关。

研究采用了多学科交叉的方法策略：首先从南方瑞典云杉育种项目中选取了10个具有田间抗性的无性系进行嫁接繁殖；随后选用4个具有不同毒力的H. annosum s.s.单孢分离菌株（L12-1、Rb28-20、S16-4和87087/8）和1个H. parviporum对照菌株（Rb175）进行人工接种实验；通过测量5天和21天后的内树皮坏死病斑长度（Lesion Length, LL）和木质部菌落扩展（SapWood Growth, SWG）量化病害表型；最后选取3个云杉无性系（0427、8590和1977）与3个病原菌株（S16-4、87087/8和L12-1）的互作组合进行双RNA测序分析，采用DESeq2进行差异表达基因鉴定，并通过WGCNA构建基因共表达网络。

结果1：病害表型受寄主和病原基因型共同影响但无显著互作效应

研究发现5 dpi时病斑长度主要受寄主基因型影响（LRT，p<0.001），而21 dpi时病原基因型也呈现显著影响（p<0.01）。高抗无性系0427和8590能有效限制病斑扩展，而感病无性系1977在所有互作中均表现为较长病斑。值得注意的是，病原菌株87087/8在42%的接种中被完全阻止进入木质部（感染预防，Infection Prevention, IP），表明其毒力较弱。

结果2：转录响应具有寄主基因型特异性和时间动态性

主成分分析显示样本聚类主要受寄主基因型和时间点驱动，PC1（51%变异）与病斑长度显著相关（R=0.55）。共鉴定出11,495个差异表达基因（占基因组22.5%），其中高抗无性系在5 dpi即出现大量上调基因，而感病无性系1977在21 dpi才出现大规模转录重编程。先前报道的抗性相关基因如PaLAR1、PaMYB29、ACC合酶和IV类几丁质酶在整体分析中显著上调，但在特定互作中表达模式存在差异。

结果3：抗性相关无性系表现出独特的防御模块激活

在高抗无性系0427和8590中，多个LRR类基因（如MA_11096g0010和MA_347842g0010）在多个互作中持续上调，这些基因与拟南芥中的模式识别受体（PRRs）具有相似性。同时，细胞壁加固相关基因如过氧化物酶（MA_102298g0010）、 dirigent蛋白（MA_8342156g0010）和EamA-like转运蛋白/UMAMIT家族基因（如MA_186746g0010）也显著上调。PFAM富集分析显示这些无性系中LRR结构域（PF13855、PF13306、PF00560）和萜类合成相关结构域（PF01397、PF03936）显著富集。

结果4：感病无性系1977呈现延迟且低效的防御响应

与抗性无性系相反，1977无性系在5 dpi时基因表达以下调为主，直到21 dpi才出现大规模上调响应。值得注意的是，在1977中多个LRR基因反而下调表达。在与高毒力菌株S16-4和87087/8的互作中，1977表现出最大数量的差异表达基因，但其中防御相关基因的表达强度较低，表明其防御激活效率低下。

结果5：双RNA测序揭示寄主-病原基因模块互作网络

尽管病原转录本检出率较低（平均0.49% reads），WGCNA分析仍识别出四个小的共表达网络（黄、绿、蓝、红）。其中"Pa blue 1"模块（包含539个基因）与病原菌" Hass darksgreen3"模块呈负相关，该模块富含NB-ARC结构域（PF00931）和LRR相关基因，表明免疫信号通路在寄主-病原互作中起关键作用。

研究结论与讨论表明，挪威云杉对H. annosum s.s.的定量抗性主要由寄主基因型早期决定，但不同寄主-病原互作组合通过激活不同的防御模块实现相似表型输出。LRR类基因在抗性无性系中的持续上调表明病原识别是限制病菌扩展的关键机制。这一发现解释了以往研究中关于挪威云杉抗性关键基因报道不一致的矛盾，表明QDR可能通过多种分子路径实现。

该研究的重要意义在于首次在森林树种中系统揭示了G×G互作对QDR转录调控的影响，为理解复杂植物-病原互作提供了新视角。研究发现表明，基于单个病原菌株的抗性筛选足以捕获寄主遗传变异，这简化了挪威云杉抗病育种实践。同时，鉴定出的LRR-XII类受体激酶和细胞壁加固相关基因为分子标记辅助选择提供了候选靶标，对针叶树抗病育种具有重要应用价值。