综述：基于组学技术的植物-病原体相互作用研究最新进展、局限性与未来展望的系统综述

《Discover Plants》：Exploring recent advances, limitations, and future prospects of OMICS-based technologies in plant-pathogen interaction studies: a systematic review

本综述系统梳理了组学技术（包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、表型组学和相互作用组学）在解析植物-病原体相互作用（Plant-Pathogen Interactions, PPIs）分子机制方面的革命性贡献。文章重点探讨了如何通过多组学整合与人工智能（AI）分析，识别关键抗性（R）基因/感病（S）基因、效应蛋白、防御通路（如PTI/ETI）及代谢重编程，为作物抗病育种和可持续病害管理提供新策略。尽管面临数据整合与标准化挑战，但组学与AI的协同应用有望显著提升作物抗逆性和全球粮食安全。

　　

1 引言

20世纪60年代的绿色革命见证了化肥、杀菌剂、杀虫剂和除草剂等农用化学品在农业领域的广泛使用，显著提高了作物产量。然而，实现生态可行的可持续作物生产已成为21世纪的迫切需求。目前世界人口年增长率约为1.1%，若此趋势持续，到2050年全球人口预计将达到99亿。因此，全球粮食产量需增加70%才能满足不断增长人口的营养需求。为实现这一目标，农业产出每年需增长2.4%，但实际增长率仅为1.3%。气候驱动的限制因素是全球作物生产的重大威胁，而病害导致的农业产出损失使实现这一目标更具挑战性。

植物从种子萌发到结实阶段持续暴露于“胁迫条件”下，通过进化出复杂的防御机制来适应生物胁迫。植物病害是指由真菌、细菌和病毒等多种病原体感染引起的一系列生理变化，导致植物生长发育受阻、产量和品质下降，严重时甚至死亡。病害的发生和流行受寄主植物种类和品种、病原体的致病性和毒力、温度、湿度、光照和土壤类型等环境条件以及栽培管理措施等人为因素的影响。植物病害可能由单一病原体感染引起，也可能由多种病原体间的相互作用导致，即“病害复合体”。此类情况下，相互作用的病原体产生的复合效应超过单个病原体的影响。涉及植物寄生线虫（PPNs）与其他病原体（如细菌、真菌或病毒）的病害复合体尤为值得关注。此外，致病和非致病微生物间的相互作用在植物防御机制和非寄主抗性（NHR）中扮演关键角色。这些涉及多种植物定殖生物的相互作用可显著影响疾病进程和结果。

植物-病原体相互作用已从病原体和植物角度得到广泛研究。病原体衍生的激发子分子是毒力因子，允许成功入侵和定殖寄主组织。植物也产生负责识别病原体和病原体衍生分子的分子，并引发防御反应。全面了解植物-病原体在感染前后的识别和通讯对于制定有效策略以管理植物病害和减轻其对农业生产力的不利影响至关重要。植物通过启动模式触发免疫（PTI）和效应子触发免疫（ETI）作为宿主防御系统的组成部分来响应病原体感染。这些免疫反应包括产生活性氧（ROS）、过敏反应、启动促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联和钙依赖性蛋白激酶，以及激素调节。

先进的高通量筛选技术（称为组学），包括基因组学、蛋白质组学、转录组学、代谢组学和表观基因组学，彻底改变了我们在系统水平上理解植物-病原体相互作用的能力，并提升了我们加速植物性状改良和获得更可持续收成的潜力。这些方法能够对生物分子进行全面分析，从而深入了解感染过程中的基因表达模式、蛋白质-蛋白质相互作用、代谢反应和表观遗传修饰。基因组和转录组分析有助于识别抗性（R）基因、感病（S）基因和致病相关因子，而蛋白质组学和代谢组学则揭示了宿主防御途径的下游变化以及植物响应病原体感染的代谢重编程。组学技术作为剖析植物-病原体相互作用分子复杂性的变革性平台，在指导下一代植物保护策略方面具有巨大潜力。多组学数据的整合增强了我们对动态信号网络和宿主响应时间调控的理解，并使得能够在分子水平上全面理解宿主-病原体相互作用。这种方法使研究人员能够发现新的生物标志物、调控节点和用于进一步遗传操作的潜在候选基因。随着病原体种群不断进化和气候变化，组学技术提供了强大的工具包以加速作物育种计划并开发持久广谱抗性。随着技术进步持续提高数据分辨率和整合能力，组学驱动的策略将在塑造可持续和有韧性的农业系统中发挥关键作用。

2 植物-病原体相互作用（PPIs）与当前认知

多年来，对植物-病原体相互作用（PPIs）的广泛研究从植物和病原体角度探索了复杂的响应。理解病原体和植物如何相互识别以及支配成功或失败相互作用的分子机制对于揭示PPIs至关重要。这些相互作用由植物和病原体产生的多种化学物质介导，包括蛋白质、碳水化合物和脂多糖。植物检测并对病原体相关分子模式（PAMPs）做出防御性响应，例如来自细菌的肽聚糖、来自真菌的β-葡聚糖、脂多糖、几丁质和壳聚糖衍生的寡糖。这些识别事件在激活植物防御反应中至关重要。另一方面，病毒分泌特定分子，这些分子有助于其致病性并促进有效定殖寄主组织。然而，要触发防御反应，这些病原体必须首先被植物的先天防御机制识别。病原体附着在植物表面，渗透其细胞壁和角质层，并破坏或逃避植物产生的防御分子，以实现成功感染和定殖寄主。植物拥有复杂的识别系统，使其能够区分自我和非我，并发展防御反应。作为第一道防线，植物部署物理屏障，包括细胞壁和角质层。此外，还会分泌一些化学物质，如植物抗毒素（芥子酸和樱花素）和黄酮类化合物（槲皮素和山奈酚），以及细胞反应以阻止进一步的组织定殖。防御反应的及时和快速激活是抗性的来源。保守的分子模式称为MAMPs（微生物相关分子模式）和PAMPs（病原体相关分子模式），被植物中的模式识别受体（PRRs）识别。由细胞外酶（如胺氧化酶、NADPH氧化酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶（SOD）、草酸氧化酶和NADPH氧化酶）作用触发的ROS产生，伴随着胼胝质丰富乳突的沉积和细胞壁的交联。作为对宿主防御的反制，病原体释放效应蛋白，随后可导致植物中的效应子触发免疫（ETI）响应。这些效应蛋白可以在植物细胞内（胞质效应蛋白）或植物的质外体（质外体效应蛋白）中起作用。效应蛋白诱导的植物功能和结构变化要么通过释放毒力因子和毒素允许病原体感染，要么在识别毒力因子和激发子时引发强烈的防御反应，或者两者兼而有之。病原体试图通过释放不可识别的效应蛋白来逃避宿主的ETI防御。为了更深入地理解植物与病原体之间的相互作用并开发抗逆作物，有必要对参与PTI和ETI的元件进行彻底检查，因为不同宿主病原体相互作用下的PTI和ETI元件大多仍未知。蛋白质组学方法可用于检查质外体蛋白质在病原体攻击期间的动态变化，以全面理解信号转导和接收的组成部分。因此，基于多组学的作物植物保护和病害控制技术有助于揭示植物-病原体相互作用的复杂性并提高农业生产力，如图2所示。

理解宿主-病原体相互作用的一个主要挑战在于开发能够全面整合宿主、病原体和环境因素的模型。过去三十年的广泛研究已导致许多免疫受体的鉴定，并强调了作物物种和模式生物中细胞内和表面定位免疫受体之间的信号串扰。尽管取得了这些进展，但在空间和细胞水平上对植物对各种病原体响应的详细理解仍然不足。为了加深我们对植物-病原体相互作用的理解，必须利用新兴的单细胞和空间技术。Peyraud等人确定了系统生物学方法研究植物-病原体相互作用的几个挑战，包括重建多尺度机制模型的复杂性以及弥合宿主和病原体模型之间的差距。

3 组学方法在植物-病原体相互作用中的应用

基因、蛋白质和代谢物的测序、鉴定和功能注释为理解植物和病原体生长、发育及相互作用的分子机制提供了深刻见解。组学技术在识别负责病原体毒力的功能组件和揭示植物-病原体相互作用中涉及的复杂分子过程方面发挥着关键作用。这些知识对于解读赋予疾病抗性的途径至关重要。基于系统的方法和多组学分析揭示了蛋白质、代谢物和基因之间的复杂相互作用，提供了对支配植物-病原体动力学的分子网络的全面理解。组学技术的整合彻底改变了植物-病原体相互作用的研究，使研究人员能够解码决定抗性或感病性的复杂机制。此类整合方法对于可持续农业和全球粮食安全至关重要。

3.1 基因组学

自21世纪初人类和拟南芥基因组首个草案的突破性发布以来，基因组学研究在过去25年中迅速扩展。理解遗传多样性对于植物-病原体相互作用研究至关重要。增强对驱动疾病抗性进化的植物-病原体相互作用的化学基础的理解同样是一项具有挑战性的努力。主要作物植物和入侵病原体基因组序列的可用性使得能够更好地理解复杂作物植物病害的出现、识别和治疗。基因组测序和注释为基因组结构、进化和功能基因提供了新的见解。通过对植物和病原体基因组进行测序和比较分析，研究人员已识别出参与毒力、抗性和免疫的关键基因，从而揭示了感病性和防御的遗传基础。植物病原体的全基因组测序为了解其致病性、进化和适应策略提供了关键见解。稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）的基因组学研究揭示了一组丰富的用于抑制宿主免疫的效应蛋白。通过比较基因组学鉴定的Avr-Pita和Avr-Pii基因说明了病原体如何进化以逃避R基因识别。引起马铃薯晚疫病的另一种病原体（Phytophthora infestans）的基因组测序揭示了一个高度动态的基因组，具有富含重复序列的区域和快速进化的效应基因簇。在宿主方面，基因组学使得能够识别介导植物免疫反应的R基因（抗性基因）和S基因（感病基因）。拟南芥基因组作为理解NLR（核苷酸结合富含亮氨酸重复序列）基因家族（病原体识别的关键）的模型。类似地，水稻基因组学指导的育种已被用于堆叠多个R基因（例如，Xa21, Pi9）以赋予对细菌和真菌病原体的广谱抗性。泛基因组学的进步使研究人员能够评估栽培品种和野生近缘种之间的遗传多样性，促进新抗性等位基因的发现。

比较基因组学涉及对来自多个物种、菌株或种质的基因组序列进行分析和比较，以识别在微生物中控制致病性或植物中控制防御的保守、分化或独特进化的基因区域。它导致了在物种内或物种间在结构和功能水平上保守的遗传元件的鉴定。病原体是动态和多样的，具有快速变化的区域，范围从整个辅助染色体到转座子丰富的染色体区室。例如，通过比较四种镰刀菌（Fusarium）的基因组，确定了基因组的结构和功能划分，包括一个辅助组件和一个核心组件，核心组件编码所有镰刀菌物种共享且生长和生存所需的功能。辅助基因组具有数量可变的小染色体（2 Mb），这些染色体是条件性可缺失的或超数的。这些染色体富含转座元件，并且似乎携带了水平传播的基因；其中一些基因与植物致病性有关。随着更多基因组的可用和可比较，许多其他植物病原真菌具有相同的染色体特征。通过比较病原体强毒力和弱毒力菌株（例如，稻瘟病菌、Pseudomonas syringae）的基因组，研究人员已识别出在一个菌株中存在但在另一个菌株中缺失或发生突变的效应基因。病原体种群（例如，Phytophthora infestans）和宿主栽培品种的基因组比较说明了无毒力（Avr）基因和抗性（R）基因如何共同进化，选择压力驱动效应蛋白多样化。例如，水稻白叶枯病菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）效应蛋白AvrXa7通过比较分析被鉴定，并显示与水稻Xa7抗性基因相互作用，触发防御反应。

在面包小麦的野生祖先种Aegilops tauschii sp. strangulate中鉴定出四个NLR抗性基因，这些基因负责对抗秆锈菌（Puccinia graminis f. sp. tritici）的抗性。比较基因组学揭示了荧光假单胞菌（P. fluorescens）菌株之间的显著差异，表明存在种间和菌株间变异。Mena等人对植物病原 Diaporthe 物种的比较基因组学研究揭示了通过转录组学在宿主感染期间对 Diaporthe caulivora 属致病策略的见解。

3.2 蛋白质组学

蛋白质组学在扩展我们对植物-病原体相互作用的理解方面特别有用。这些包括鉴定抗性和致病相关蛋白、致病性决定因子（效应蛋白）及其翻译后修饰。质外体是大多数植物-病原体相互作用的场所，允许交换并促进植物细胞内和细胞间的通讯。图3概述了已知在质外体中发生的各种生物过程。

由于植物-病原体相互作用本质上是复杂的，并且涉及两个不同物种的蛋白质互补，因此对这些相互作用的蛋白质组学研究具有固有的挑战。因此，病变模拟突变体已被用于鉴定参与防御反应的蛋白质。宿主组织提取物也被用于理解病原体如何响应植物防御而改变其蛋白质表达；例如，测试了来自宿主和非宿主植物的叶子提取物对柑橘溃疡病菌（Xanthomonas axonopodis pv. citri）的影响。Tahara等人研究了在宿主植物（西番莲）叶子提取物存在下，X. axonopodis pv. passiflorae释放的蛋白质。一种假设蛋白、一种可能的膜相关蛋白、一种无机焦磷酸酶和一种类似于鼠伤寒沙门氏菌yciF基因的推测蛋白在宿主植物提取物中均优先增强。此外，Marra等人报告了一项有趣的蛋白质组学分析，包括一个双组分、一个生物防治生物和一个植物-病原体关系。研究使用了真菌Trichoderma atroviride的一个拮抗菌株、一种真菌病害（Rhizoctonia solani或Botrytis cinerea）以及菜豆植物的三方相互作用。检查了每个伙伴单独、所有配对以及三个伴侣在整个相互作用过程中的蛋白质组。在植物蛋白质组中，发现特定的致病相关蛋白和其他可能的疾病抗性基因与两种病原体中的一种和/或T. atroviride的相互作用有关。另一方面，从T. atroviride相互作用蛋白质组获得的许多差异蛋白显示出与真菌疏水蛋白、ABC转运蛋白等有趣的同源性。在病原体蛋白质组中，毒力因子（如亲环蛋白）在与植物单独或与拮抗菌相互作用期间上调。水稻-稻瘟病菌（M. oryzae）连接在质外体中鉴定出多种由水稻释放的蛋白质，例如三种富含半胱氨酸重复蛋白和具有DUF26结构域的PR蛋白。此外，由M. oryzae释放的毒力因子蛋白CYP1也在水稻质外体中发现。类似地，对模型豆科植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）与苜蓿中华根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）共生关联的基于蛋白质组的分析，使用2D-LC/MS/MS鉴定了总共377种植物相关蛋白质。鉴定出的蛋白质主要属于与氨基酸和蛋白质合成及降解相关的功能组。此外，还鉴定了参与根瘤中固氮的蛋白质和参与含硫氨基酸合成的蛋白质。涉及用S. meliloti处理的水稻不同组织的比较蛋白质组学研究显示了具有不同功能的差异蛋白。防御相关蛋白在根中上调，而参与光合作用途径的蛋白在水稻的叶鞘和叶片中上调。在共生菌S. meliloti和植物病原菌P. syringae DC3000相互作用期间，对拟南芥和紫花苜蓿根分泌物的分泌蛋白质组分析鉴定出根据关联宿主植物分泌的不同蛋白质组。在两种情况下都观察到关于ABC转运蛋白的变化，而超氧化物歧化酶的调节仅在S. meliloti中观察到。表3总结了关键的蛋白质组学研究，这些研究增强了对植物-病原体相互作用分子和遗传基础的理解。

大丽轮枝菌（Verticillium longisporum）是感染十字花科成员的重要病原体。当使用拟南芥和芸苔属植物作为宿主分析植物-V. longisporum相互作用时，发现几种PR蛋白上调。这些蛋白包括内切几丁质酶、过氧化物酶、β-1,3-葡聚糖酶、PR-4、PRX52、PRX34、P37、丝氨酸羧肽酶SCPL20、α-半乳糖苷酶AGAL2和胚芽样蛋白。在用V. longisporum感染后，一种类似于凝集素的几丁质诱导蛋白下调。出乎意料的是，在这些研究中没有发现真菌蛋白，这表明V. longisporum主要分泌其他化合物，如碳水化合物和脂多糖，与其宿主通讯，或者释放的真菌蛋白数量要少得多（低于MS的检测限）。水稻白叶枯病由革兰氏阴性Xanthomonas oryzae（Xoo）引起，对接种相容或不相容Xoo菌株的水稻叶片进行的蛋白质组分析揭示了二十种差异表达蛋白，涉及能量代谢、防御和蛋白质合成。在另一项研究中，在水稻-X. oryzae相互作用分析期间发现的109种蛋白质中，有六种来自水稻，表明细菌分泌的蛋白质比例显著高于宿主水稻。此外，研究表明，X. oryzae在体外和植物体内均产生的高度保守蛋白质与其代谢和营养吸收活动有关。对用枯萎病真菌Fusarium oxysporum挑战的番茄植株木质部汁液的分析表明，PR-5蛋白在相容和不相容关联中均被诱导，而其他PR蛋白仅在相容相互作用中受调控。在另一项涉及Alternaria brassicae和不同甘蓝型油菜（Brassica napus）栽培品种的研究中，参与ROS产生和解毒的蛋白质，以及生长素信号响应蛋白均上调，表明生长素介导的ROS信号可能在抗性品种中介导中等抗性方面发挥作用。大豆疫霉（Phytophthora sojae）是一种重要的卵菌，引起大豆根腐病和茎腐病。一项使用2DE和随后的MALDI-TOF-MS对大豆和该卵菌进行的研究发现，在抗性大豆基因型中26种蛋白质发生显著改变，在敏感基因型中20种蛋白质发生改变。

增加对植物在病原体挑战下受影响的生理过程的了解，因此可以合理地指导新的和改进的植物胁迫耐受策略的开发。同样重要的是要注意，病原体释放的蛋白质比例也取决于与宿主的接触是相容还是不相容而改变。在不相容相互作用期间，病原体感染和后续进展被大大抑制，因此蛋白质分泌减少；而在相容相互作用期间，病原体感染和进展大大增强，导致蛋白质分泌增加。蛋白质组水平的研究提供了关于细胞中功能分子的信息，以及在不同状态和不同胁迫下蛋白质表达模式的变化。蛋白质组学帮助我们识别来自病原体以及宿主的关键功能基因产物。这种方法肯定有助于搜索和识别关键蛋白质靶标，随后制定疾病管理策略，确保早期疾病检测和作物安全。总体而言，蛋白质组学结合生物信息学工具可以提供诱人的知识，以发展对植物和微生物之间复杂关联的全面理解。

3.3 转录组学

转录组学显著改善了我们对基因表达的理解。利用DNA微阵列、消减文库、ESTs、SAGE和RNA测序，可以将生物过程与对多种输入的巨大转录组响应联系起来。通过比较基于RNA-seq的特定细胞类型或根据不同处理的全面转录组数据，使得能够鉴定和增强对新发现基因和剪接变体以及差异表达基因/转录模式的理解。表4突出了关于病原体处理的几种农作物的转录组测序结果。

转录组分析已识别出在植物-微生物相互作用从互利共生转变为致病性中至关重要的基因，揭示了被破坏的关联。Verhagen等人利用转录组学揭示了在荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）诱导拟南芥系统抗性期间植物防御相关基因。在不同相互作用阶段分析了T. atroviride与R. solani、P. capsici和B. cinerea的转录组。观察到，在接触宿主植物R. solani之前，只有38.4%的转录基因在相互作用期间活跃，而基因组数据预测T. atroviride将活跃的基因则不然。Lysee等人在一项包括病原体（Helminthosporium solani）、生物防治剂（Clonostachys rosea）和宿主（Solanum tuberosum）的三向相互作用研究中报告了类似事件。根据Jiang等人的研究，对感染镰刀菌（Fusarium）并用B. velezensis F21处理的西瓜（Citrullus lanatus）根部进行的转录组学研究表明，感染促进了系统抗性，导致成熟相关基因的激活。此外，许多转录因子和与植物病害抗性相关的基因也被激活。结果验证了生物防治剂会引起植物系统抗性。Zhao等人对作为核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）上重寄生菌的生物防治剂Coniothyrium minitans进行的另一项转录组分析表明，C. minitans激活了多种蛋白质以及次级代谢物来控制真菌感染。在另一项研究中，对抵抗棉花曲叶病（CLCuD）侵染的抗性棉花品种Gossypium arboreum进行了RNA-Seq差异基因表达分析。在Gossypium arboreum中鉴定出1062个DEGs，并且许多参与植物防御和疾病抗性的基因上调。使用转录组分析已识别出参与胁迫响应和一般发育的基因家族，包括C2H2锌指或LRR激酶。为了响应立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）（水稻纹枯病）感染，对水稻抗性品种（TeQing）和感病品种（Lemont）进行的比较转录组分析鉴定出4802个差异表达基因。虽然其中一些DEGs是共同的，但每个品种对感染响应的时间不同。研究揭示了疾病抗性受多种过程影响，包括光合作用、苯丙烷和茉莉酸代谢、光呼吸等。此外，抗性品种中的疾病抗性途径比感病品种激活得快得多。表5概述了关键的转录组学研究，这些研究促进了对植物-病原体相互作用分子和遗传基础的理解。

基因组学和转录组学研究在理解宿主-病原体相互作用、疾病结果、免疫反应以及宿主与其病原体共同进化方面发挥了重要作用。此类研究依赖于批量组织分析，这提供了基因表达和遗传变异的平均图景。然而，生物学上感染是局部的，组织内的单个细胞可能对同一病原体作出异质性响应。单细胞基因组学和转录组学的出现彻底改变了我们以前所未有的分辨率研究这些动态的能力，揭示了细胞特异性防御反应、病原体逃避策略和新的调控机制。单细胞基因组学和转录组学涉及分析单个细胞以识别变异，如突变、染色质重塑、表观遗传标记，分析单个细胞的基因表达景观，从而能够在感染期间检测细微的转录变化。这些研究使研究人员能够识别受感染细胞，确定抗性和感病基因的细胞特异性表达，理解感染早期阶段的转录重编程，并监测宿主和病原体群体的异质性。Ryu等人对拟南芥（Arabidopsis thaliana）根进行了scRNA-seq，提供了拟南芥根在单细胞分辨率下的第一代基因表达图谱。对Pseudomonas syringae的拟南芥研究揭示了水杨酸（SA）信号通路的细胞类型特异性激活，突出了WRKY和CAMTA转录因子在叶肉和表皮细胞中的作用。使用单细胞技术的豆科植物-根瘤菌共生研究揭示了早期相互作用动态。表皮细胞显示出短暂的防御反应，而皮层特异性基因表达强调了组织特异性作用。不定根瘤和定根瘤结构揭示了区室化的固氮过程，谷氨酰胺合成酶基因在受感染细胞中富集，天冬酰胺合成在未受感染细胞中富集。然而，样品制备（包括单细胞分离、原生质体制备）以及在原生质体制备过程中诱导胁迫伪影和每个样品RNA含量的限制是单细胞转录组学面临的最大挑战。

3.4 代谢组学

代谢组学涉及参与代谢途径的小分子（代谢物）的鉴定、定量和解释，提供对细胞过程、表型以及对环境或遗传变化的响应的见解。代谢组学与其他功能基因组学方法相结合，可以更好地洞察宿主-病原体相互作用。核磁共振（NMR）和质谱（MS）是研究代谢组的两种主要技术。植物在受感染组织中改变代谢组作为局部响应，并可以将其传播到相邻植物组织，导致系统