多组学整合解析甜瓜响应白粉病菌的生理与分子机制：脂质代谢与茉莉酸信号协同调控抗病性

本研究针对甜瓜白粉病抗性机制不明的难题，通过整合生理学、转录组和代谢组分析，系统揭示了抗/感病品系在Podosphaera xanthii侵染过程中的动态响应规律。研究发现抗病品系J152通过脂质代谢重编程（linoleic/α-linolenic酸代谢）与JA信号网络的高效协同，显著增强抗氧化酶活性（SOD/CAT/POD），有效缓解氧化损伤（降低MDA/H2O2），维持膜完整性，而感病品系J156则出现通路失调。该研究为甜瓜抗病育种和病害防控提供了重要靶点和理论依据。

　　

甜瓜（Cucumis melo L.）作为一种全球重要的经济作物，因其丰富的口感、多样的果肉颜色和高营养价值而备受消费者青睐。然而，由专性活体营养真菌Podosphaera xanthii引起的白粉病（Powdery Mildew, PM）严重威胁着葫芦科作物的生产，特别是在高温高湿环境中，导致作物产量和品质显著下降。尽管甜瓜具有重要的农业价值，但由于遗传和基因组资源有限，以及抗白粉病遗传资源的匮乏，甜瓜抗白粉病的分子育种进展相对滞后。因此，识别甜瓜抗白粉病相关基因并揭示其抗病机制，对于制定有效的病害防控策略至关重要。

以往的研究表明，植物在应对病原侵染时进化出了两层先天免疫系统：病原相关分子模式触发免疫（PAMP-triggered immunity, PTI）和效应子触发免疫（effector-triged immunity, ETI）。这些免疫反应涉及活性氧（ROS）爆发、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）激活和转录重编程等共享核心组分。此外，植物激素如水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）、乙烯（ET）等，通过复杂的信号交叉对话网络协同调控防御反应。近年来，脂质代谢在植物应激响应中的作用日益受到关注，尤其是多不饱和脂肪酸（如linoleic acid和alpha-linolenic acid）不仅作为细胞膜的结构成分，还作为JA等信号分子的前体，在植物防御中发挥关键作用。然而，关于甜瓜抗白粉病的相关基因、信号通路和代谢重编程仍存在显著的知识空白，阻碍了持久病害防控策略的开发。

为了深入解析甜瓜与白粉病菌互作的机制，研究人员采用整合生理学、转录组学和代谢组学的综合比较策略， characterization抗病（J152）和感病（J156）甜瓜自交系在P. xanthii不同侵染阶段的动态变化。该研究首次全面整合了多组学方法探索甜瓜响应白粉病的分子防御机制，相关成果发表在《Plant Stress》上。

本研究主要采用了以下关键技术方法：1）利用抗病（J152）和感病（J156）甜瓜品系进行P. xanthii接种和时间点（0、1、3、7 dpi）采样；2）生理指标检测包括丙二醛（MDA）、过氧化氢（H₂O₂）含量以及过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性测定；3）转录组测序（RNA-seq）和差异表达基因（DEGs）分析；4）非靶向代谢组学（LC-MS/MS）和差异积累代谢物（DAMs）鉴定；5）植物激素（SA、JA、ACC、cZR、GA₃、IAA、ABA、BR）含量的靶向代谢组学分析；6）加权基因共表达网络分析（WGCNA）挖掘与激素信号相关的关键基因。

3.1. 甜瓜叶片感染P. xanthii的症状和生理变化

研究人员观察到，抗病品系J152在整个感染期间未出现病征，而感病品系J156在5 dpi开始出现症状并逐渐加剧。生理检测发现，两个品系的MDA和H₂O₂含量均随感染时间增加而上升，但J152的积累量显著低于J156。抗氧化酶（CAT、POD、SOD）活性在两种基因型中均 progressive 升高，但J152的酶活性始终高于J156。这些结果表明J152通过更强的抗氧化能力有效缓解了氧化损伤。

3.2. 转录组测序数据概述和分析

mRNA-seq在四个时间点（0、1、3、7 dpi）进行，共获得863,155,654条高质量clean reads，与甜瓜参考基因组的比对率在83.99%至96.91%之间。 replicates间的高相关系数（>0.94）和qRT-PCR验证证实了数据的可靠性。

3.3. 甜瓜响应P. xanthii感染的DEGs鉴定

在整个研究期间，J152和J156中共鉴定到6199个DEGs。随着感染时间延长，两个品系中发生表达变化的基因数量不断增加，且感病品系J156的基因表达变化更为显著。两个品系中下调基因的比例均较高。

3.4. DEGs的KEGG富集分析

KEGG富集分析显示，DEGs主要富集在“MAPK signaling pathway-plant”、“plant hormone signal transduction”、“phenylpropanoid biosynthesis”、“alpha-linolenic acid metabolism”、“photosynthesis-antenna proteins”和“photosynthesis”等通路。这些结果表明甜瓜可能根据病原真菌的侵染阶段进化出了多样的分子防御机制。

3.5. 抗氧化酶相关DEGs

转录组分析鉴定出一个CAT编码基因和29个POD编码基因在两个甜瓜品系中差异表达。CAT基因MELO3C017023在两种基因型中均上调，但 temporal 表达模式存在显著差异。约一半的POD编码基因在不同感染阶段上调，但大多数POD编码基因在感病品系J156中在7 dpi特异性显著上调或下调。

3.6. 植物-病原互作、MAPK和激素信号相关DEGs

共鉴定到206个与“MAPK signaling pathway-plant”、“plant-pathogen interaction”和“plant hormone signal transduction”相关的DEGs。这些通路在KEGG数据库中表现出显著的功能和基因 identity 重叠。MAPK signaling pathway相关的DEGs包括MKK2、MKK4/5和MPK4等，在PM感染后1 dpi就开始发生显著变化。Ca²⁺ signaling 相关基因（如CALM/CML和CNGCs）也显示显著的转录调控，其中CNGCs的表达模式在两个甜瓜品系间存在明显差异。HSP90基因在J152中仅在1 dpi显著上调，而在J156中在1和7 dpi均保持高表达。ETI相关基因EDS1在1 dpi上调，而RIN4在3 dpi下调。

植物激素信号转导通路中，共发现123个DEGs显著富集，包括11个SA、50个AUX、14个ABA、7个GA、13个ET、5个JA、11个CK和12个BR信号相关基因。大多数NPR1和TGA基因（SA pathway）在大多数时间点呈上升趋势；AUX信号通路中的大多数DEGs（如ARF、AUXI、GH3、IAA、SAUR和TIR）在感染期间均显著上调；ABA signaling中的两个ABF和五个PP2C基因在J152中显著上调但在J156中下调；GA pathway中DELLA基因呈下降趋势而GID1/2和PIF3/4基因呈上升趋势；ET signaling中大多数DEGs（如EBF1/2、EIN3、ETR和ERF1）显著上调；JA pathway中一个JAR和三个JAZ基因呈上升趋势但MYC2基因MELO3C013851显著下调；CK pathway中大多数DEGs（如ARR-A、ARR-B、AHK2/3/4和AHP）呈上升趋势；BR signaling中的DEGs（如BIN2、BKI1、BSK、BZR1/2、CYCD3和TCH4）表达模式多样。

3.7. DEGs中TF的特征分析

共鉴定到455个推定TFs，属于42个TF家族。其中ERF家族成员最多（56个DEGs），其次是MYB（40）、WRKY（39）、MYB_related（36）、bHLH（36）、NAC（32）和bZIP（24）家族。这些TFs在甜瓜响应P. xanthii感染中可能提供 crucial 作用。

3.8. 甜瓜响应P. xanthii感染的代谢组分析

非靶向代谢组学分析在所有样品中鉴定到2249个代谢物。OPLS-DA显示J152和J156的代谢物 profiles 明显分离。所有代谢物映射到13条不同的KEGG通路。共鉴定到970个DAMs，其中脂质和脂质样分子是最丰富的（26.91%）。

3.9. DAMs的KEGG富集分析

DAMs注释到138条KEGG通路。与上调的KEGG通路相比，感染期间鉴定到更多下调的KEGG通路。“linoleic acid metabolism”通路在所有比较组中均显著富集。“alpha-linolenic acid metabolism”通路在J152_3d vs J152_0d和J156_7d vs J156_0d中显著富集。

3.10. 甜瓜响应P. xanthii感染的转录组和代谢组整合分析

整合分析发现，基因和代谢物共同映射到80条KEGG通路，主要富集在“linoleic acid metabolism”、“phenylpropanoid biosynthesis”、“flavone and flavonol biosynthesis”、“plant hormone signal transduction”、“starch and sucrose metabolism”等通路。

3.11. 甜瓜响应P. xanthii感染的linoleic acid和alpha-linolenic acid代谢相关DEGs和DAMs profiles

转录组和代谢组数据显示，“linoleic acid metabolism”和“alpha-linolenic acid metabolism”两条通路在接种P. xanthii后的J152和J156中均显著富集。研究人员将这些基因和代谢物同时映射到KEGG通路图中，详细展示了这些通路中的基因表达和代谢物积累变化。

3.12. 激素含量测定和WGCNA分析

靶向代谢组学分析发现，两个甜瓜品系的SA含量在P. xanthii侵染后随感染时间延长而持续下降。JA、ACC和cZR含量在两种甜瓜品系中均随感染时间显著增加。GA₃、IAA和ABA含量在7 dpi时显著增加。BR含量在两个品系中均随感染时间延长而显著增加。

WGCNA的module-trait关系分析 identified 11个模块。其中blue module和yellow module分别与激素含量呈显著正相关和负相关（p<0.01）。进一步分析表明，30个激素相关基因通过WGCNA分析显示与激素含量呈显著正相关和负相关。

4. 讨论

本研究阐明了多层防御反应在甜瓜抗白粉病中的重要作用。研究发现，与感病品系J156相比，抗病品系J152通过更有效的抗氧化系统缓解了氧化损伤。转录组和代谢组整合分析强调了维持膜稳定性和灵活性以及激素信号转导在甜瓜抗白粉病中的重要性。

研究表明，防御反应在PM感染的早期阶段就被显著诱导，大多数免疫反应在这种疾病的不同阶段持续存在。而且，宿主在PM感染后期表现出更多样化的防御反应。编码TFs的DEGs显著富集于ERF、MYB、WRKY、MYB_related、bHLH、NAC和bZIP家族，这些成为甜瓜抗PM防御反应的关键调节因子。

5. 结论

本研究通过整合生理学、转录组学和代谢组学方法，全面揭示了甜瓜对P. xanthii的防御机制。生理结果表明，抗病品系J152比感病品系J156表现出 enhanced 抗氧化能力。多组学整合表明甜瓜中存在多层防御反应。特别是，研究发现MAPK signaling pathway-plant、plant-pathogen interaction、plant hormone signaling和lipid metabolism（linoleic and alpha-linolenic acid pathways）在响应PM感染时被激活，与这些通路相关的DEGs可能负责介导或激活甜瓜的免疫反应。联合分析强调了维持膜稳定性和灵活性以及激素信号转导在甜瓜抗PM中的重要性。

这些发现推进了对甜瓜抗白粉病分子和代谢网络的理解，为育种策略和疾病管理提供了潜在靶点。该研究不仅为甜瓜抗病育种提供了重要理论依据，也为其他作物抗病机制研究提供了参考。