全面转录组分析揭示：芜菁花叶病毒及其蚜虫载体对拟南芥基因调控网络的重大影响

为探究蚜虫（Myzus persicae）和芜菁花叶病毒（TuMV）单独及共同作用对拟南芥宿主基因表达的影响，研究人员开展转录组和可变剪接分析。结果发现二者共同作用会引发植物复杂遗传变化。该研究有助于剖析三方互作遗传机制，为育种提供参考。

　　在植物的生长过程中，常常会受到来自外界的各种挑战，病毒感染和食草动物的侵害就是其中的两大 “劲敌”。许多植物病毒会巧妙地改变宿主基因的表达，干扰植物的正常防御，让自己能够顺利 “安营扎寨”。就像豌豆种子传播花叶病毒，会偷偷下调宿主基因表达，还能让热休克蛋白 70（HSP70）和多聚泛素的表达升高。同时，蚜虫的 “骚扰” 也会对植物产生不小的影响。它们在吸食植物汁液时，会干扰植物的各种信号通路，影响植物的生长和防御。

然而，在自然环境中，蚜虫和病毒往往会 “联手” 出击，共同危害植物。但长期以来，科学家们对它们共同作用时的分子机制却知之甚少。为了填补这一知识空白，来自美国康奈尔大学、德克萨斯 A&M 大学以及斯里兰卡佩拉德尼亚大学的研究人员，以拟南芥（Arabidopsis thaliana）、桃蚜（Myzus persicae）和芜菁花叶病毒（TuMV）为研究对象，展开了深入的研究。他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为我们揭示了植物在面对这两种威胁时的复杂遗传变化，对理解植物的防御机制以及未来的育种工作都有着重要的意义 。

研究人员为了深入探究蚜虫和芜菁花叶病毒对拟南芥基因表达的影响，采用了多种先进的技术方法。在实验材料准备上，选取野生型拟南芥哥伦比亚 - 0 生态型植株，一部分接种 TuMV:GFP，另一部分作为对照。待植株感染病毒后，将蚜虫放置在部分植株上，另一部分作为无蚜虫对照。之后，对样本进行转录组分析。首先利用 FastQC 评估读取质量，再使用 HISAT2 将数据映射到拟南芥 Col - 0 基因组上。利用 StringTie 进行转录本组装和丰度测定，通过 EdgeR 进行差异表达分析。此外，还进行了基因注释、基因本体（GO）富集分析、KEGG 和 araCyc 富集分析，以确定相关基因的功能和参与的代谢途径。同时，运用特定的方法测定脱落酸（ABA）水平，对差异表达基因的启动子进行分析，以及对转录本异构体进行分析等 。

研究结果如下：

1. TuMV 和蚜虫共同调节的转录本数量多于单独作用：重新分析数据发现，蚜虫取食感染 TuMV 的拟南芥植株时，差异表达基因（DEGs）数量比单独受到蚜虫或 TuMV 挑战时更多。Aphids + TuMV 组合产生 847 个 DEGs，而蚜虫侵染植株产生 45 个 DEGs，TuMV 感染植株产生 177 个 DEGs。并且，二者共同作用时基因表达的 log₂倍数变化在正负方向上都更高，说明存在复杂的分子相互作用 。
2. 蚜虫取食感染 TuMV 的植株增强了应激反应基因模式：通过 GO 富集分析发现，Aphid + TuMV 处理后，与宿主防御、对病原体和昆虫的反应相关的 GO 术语在上调基因集中显著增加，而单独用蚜虫或 TuMV 处理时，这些 GO 术语上调的数量较少。同时，在应对非生物胁迫和氧化应激相关的 GO 术语方面，Aphid + TuMV 处理也产生了独特的遗传反应，表明二者共同作用会放大植物的细胞防御基因反应 。
3. 蚜虫和 TuMV 感染相关的调控变化指向关键代谢和激素调节分子网络：对 DEGs 进行 GO、KEGG 和 AraCyc 分析发现，Aphid + TuMV 处理影响了众多代谢途径和激素调节相关基因。例如，参与硫代葡萄糖苷（GSLs）、苯丙烷和黄酮类化合物生物合成的基因表达发生变化。同时，还发现与蛋白质加工、核糖体生物发生和叶绿体功能相关的基因也受到影响，说明植物的代谢和蛋白质成熟等过程在应对二者共同挑战时发生了显著调整 。
4. TuMV 和蚜虫共同影响 ABA 依赖的宿主对蚜虫侵染的转录反应：研究发现，蚜虫侵染的拟南芥植株中 ABA 浓度升高，蚜虫取食感染 TuMV 的植株时 ABA 浓度更是大幅提升。对相关基因启动子分析发现，多个与 ABA 响应相关的转录因子结合位点出现，如 ATHB - 6、WRKY48 等，表明 ABA 在植物应对蚜虫和 TuMV 共同挑战的转录重编程中发挥重要作用 。
5. 调控转录本异构体积累：研究表明，蚜虫和 TuMV 单独或共同作用会影响转录本异构体的积累。Aphid + TuMV 处理时，具有差异使用异构体的基因数量增加。同时，发现可变转录起始（ATSS）和终止（ATTS）位点的使用是主要的可变转录事件，并且一些与病原体防御、非生物胁迫和转录因子相关的基因存在异构体变化，说明转录本异构体的调控可能是植物应对环境压力的一种重要机制 。

研究结论和讨论部分指出，与单独受到蚜虫或 TuMV 影响相比，二者共同挑战拟南芥时影响的基因数量更多。这可能是因为植物在病毒感染的基础上，需要通过遗传变化来适应蚜虫的取食、促进病毒传播或利于蚜虫繁殖。研究还发现，大量差异调节的基因体现了细胞免疫、细胞存活、适应和对环境压力反应之间的相互作用。例如，一些参与 mRNA 稳定性、蛋白质合成和折叠的基因，既对细胞生存至关重要，又在病毒感染和蚜虫取食时被差异调节。此外，可变剪接在植物应对病毒和蚜虫挑战中似乎起着关键作用，它可以通过添加或去除蛋白质结构域，影响蛋白质功能，从而在病毒、食草动物和宿主之间的 “斗争” 中发挥重要作用。这项研究为我们深入理解植物应对生物胁迫的分子机制提供了重要依据，也为未来通过遗传育种提高植物抗性的研究奠定了基础 。