大豆抗病基因类似物在水限制与锈病交叉耐受中的转录组图谱解析

《Food and Energy Security》：Transcriptome Profiling of Resistance Gene Analogs in Soybean's Cross-Tolerance to Water Limitation and Rust Stress

本研究通过转录组分析揭示易感大豆品种在水分限制与亚洲大豆锈病（ASR）双重胁迫下抗病基因类似物（RGAs）的时空表达动态。研究发现双重胁迫诱导更多差异表达基因（DEGs），其中TM-LRR类RGAs占比超64%，且Rpp2位点的NBS-LRR基因富集显著。水分限制在感染晚期强烈调控基因表达，凸显了大豆交叉耐受机制的潜在激活，为培育抗锈耐旱品种提供了新靶点。

　　

摘要

亚洲大豆锈病（ASR）由^{Phakopsora pachyrhizi}引起，是大豆最具破坏性的叶部病害，可导致高达90%的产量损失。本研究通过分析易感大豆品种在正常和水分限制条件下接种ASR后四个时间点（12、24、72和192小时）的转录组响应，发现防御相关基因（尤其是RGAs）呈现双相表达模式：早期（12小时）和晚期（192小时）出现峰值。双重胁迫比单一锈病胁迫诱导更多DEGs，其中超过64%的差异表达RGAs属于TM-LRR类，且NBS-LRR基因在已知ASR抗性位点（如Rpp2）富集程度最高。水分限制在感染晚期强烈调控基因表达，揭示了胁迫特异性转录重编程。这些发现表明大豆潜在交叉耐受机制的激活，为开发兼具抗锈和耐旱性状的品种提供了靶点。

1 引言

大豆是全球重要作物，但其生产受ASR严重威胁。气候变迁加剧了干旱与病害的协同发生，因此解析植物对复合胁迫的防御机制至关重要。ASR通过降低光合作用和导致落叶影响产量，而化学防治面临环境与抗药性挑战。培育抗病品种是控制ASR最有效的方式，目前已定位7个主要抗性位点（Rpp1–Rpp7）。植物免疫分为由胞外受体（TM-LRR）介导的模式触发免疫（PTI）和由胞内受体（NBS-LRR）介导的效应触发免疫（ETI），这些受体统称为抗病基因类似物（RGAs）。新一代测序技术促进了RGAs的全基因组鉴定，其成簇分布特性有助于育种中的标记辅助选择（MAS）。本研究在前期发现水分限制加剧ASR严重性的基础上，聚焦易感基因型在水分胁迫下的转录响应，旨在揭示关键抗病机制。

2 材料与方法

2.1 实验设计、植物材料与接种

以易感品种BMX Lan?a IPRO为材料，设置水分限制（65%土壤持水量）与正常供水（80%）两组，分别接种^{P. pachyrhizi}（10⁵ urediniospores·ml^?1）或模拟接种，于接种后12、24、72和192小时（HAI）取样。

2.2 RNA提取与测序

采用Trizol法提取总RNA，Illumina NextSeq 2000进行双端测序，获得48个文库数据。

2.3 数据处理

使用HISAT2将 reads 比对至大豆参考基因组，StringTie组装转录本，DESeq2进行标准化和差异表达分析（FDR < 0.05）。

2.4 基因表达与功能注释

通过主成分分析（PCA）评估样本聚类，利用topGO进行基因本体（GO）富集分析。

2.5 RGAs鉴定

结合Coils、TMHMM等6种工具预测RGAs结构域，按LRR、NB-ARC或NB-LRR保守域筛选候选基因，并分析其染色体分布与表达。

3 结果

3.1 转录组数据概览

测序数据平均比对率93.6%，鉴定出52,872个基因，其中40,012个用于后续分析。

3.2 差异表达基因谱

PCA显示时间因素是转录组变异的主要驱动力（解释87%方差）。双重胁迫在12 HAI诱导最多DEGs（水分限制组12,666个，对照组9,680个），表明早期转录重编程是关键响应窗口。

3.3 GO富集分析

早期（12 HAI）DEGs富集于光合作用相关术语；水分限制组在24 HAI富集苯丙烷生物合成和防御响应，而对照组富集应激与缺氧响应；晚期（192 HAI）水分限制组凸显胁迫响应术语。

3.4 防御相关GO术语表达动态

12 HAI时，氧化应激、苯丙烷/类黄酮生物合成相关基因在水分限制下上调更显著；24 HAI时防御基因表达回落；72–192 HAI再次激活，尤其在正常供水组中持续高表达。

3.5 水分剥夺效应

早期胁迫响应以代谢通路为主，晚期（192 HAI）出现水分剥夺特异性术语，表明长期缺水引发独特转录适应。

3.6 RGAs预测与分布

共预测4,076个RGA异构体，以TM-LRR类（RLK、RLP）和TM-CC为主。RGAs在染色体末端成簇分布，且差异表达RGAs（RGADEs）在Rpp2和Rpp3位点富集程度最高。

3.7 RGADEs表达谱

水分限制下，54.85%的RGADEs在12 HAI表达，29.9%在192 HAI表达；对照组则分布更均匀。TNL类在Rpp位点中占比达52%，且在水分限制下早期诱导显著。

4 讨论

水分限制通过调控PTI相关受体（如RLK/RLP）的表达强度，可能增强植物对复合胁迫的感知，但晚期防御基因表达下降提示效应触发易感性（ETS）主导了病害进展。RGAs在染色体上的成簇分布（如Rpp2位点）反映了协同进化压力，但其在易感品种中未能有效遏制病原菌扩散，可能与ABA（脱落酸）和SA（水杨酸）信号通路拮抗有关。本研究筛选出的关键RGADEs（如Rpp2位点TNLs）为大豆抗性育种提供了候选靶点，但功能验证仍需后续实验支持。

致谢

研究获巴西圣保罗研究基金会（FAPESP）等项目资助。