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为解决南方根结线虫（Meloidogyne incognita）对棉花（Gossypium hirsutum L.）造成的农业损失问题，研究人员开展了陆地棉对南方根结线虫兼容和不兼容互作的时间进程 RNA 测序分析。结果鉴定出差异表达基因，明确了候选基因。这有助于推进抗性育种和线虫管理策略。
在广袤的棉田里，棉花常常遭受南方根结线虫（Meloidogyne incognita，简称 RKN）的侵袭。这种线虫分布广泛、遗传多样，具有极广的宿主范围和杂食性的取食习性，给棉花种植带来了巨大灾难。仅在美国，它就导致棉花损失超过 6500 万公斤，价值超 1.23 亿美元。目前的防治手段，如作物轮作、生物防治和化学防治，都存在诸多局限。作物轮作受 RKN 广泛宿主范围的限制，生物防治效果不稳定，化学防治不仅成本高，还可能对环境造成危害。因此，挖掘棉花自身的抗性基因，培育抗性品种，成为解决这一问题的关键。
为了深入了解棉花对 RKN 的抗性机制，美国佐治亚大学（University of Georgia）等机构的研究人员开展了一项全面的研究。他们对具有不同抗性的棉花品种进行时间进程 RNA 测序（RNA-seq）分析，研究成果发表在《BMC Genomics》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：
- 样本采集：选用对 RKN 寄生反应不同的两个陆地棉基因型 M - 120 RNR（高度抗性）和 Coker 201（易感），在温室中培养。种子萌发 14 天后，部分幼苗接种 4000 条 M. incognita J2s，部分作为对照。分别在接种后 4、8、12、16 和 20 天采集整个根系样本，每个条件设置两个生物学重复。
- RNA 测序与分析：提取样本总 RNA，构建文库并测序。对原始测序数据进行质量检测和处理后，将其映射到陆地棉参考基因组上。利用 DESeq2 软件进行差异表达基因（DEGs）分析，通过多种工具对 DEGs 进行功能注释和富集分析，还采用实时荧光定量 PCR（qPCR）验证候选基因表达。
下面来看具体的研究结果：
- 转录组测序与映射：共测序 44 个 RNA - seq 文库，处理后大部分 reads 能成功映射到参考基因组，为后续分析奠定基础。
- 差异表达基因与富集类别：在 RKN 处理的植物中，共鉴定出 2471 个 DEGs。不兼容互作中的 DEGs 数量约为兼容互作的两倍，且上调基因在两种互作类型中均占 60 - 70%。
- 兼容互作中的 DEGs：C201 基因型中，下调基因多在 8 DAI 出现，富集于应激反应等类别；上调基因在 16 DAI 最多，富集于氧化还原等过程。
- 不兼容互作中的 DEGs：M120 基因型中，近一半下调基因在 8 DAI 出现，富集于转录调控等；上调基因在 8 DAI 比例最高，涉及防御反应等重要生物过程。
- 兼容和不兼容互作中的共同 DEGs：不同时间点存在一定数量的共同 DEGs，部分共同上调基因在感染过程中持续表达。
- 热图分析：通过对显著 DEGs 进行层次聚类，发现两个主要基因簇，不同亚簇与特定时间点和互作类型相关。
- QTL 区域的差异表达基因：在染色体 11（qMi - C11）和 14（qMi - C14）的 QTL 区域及同源区域鉴定出 47 个差异表达转录本。
- qMi - C11 QTL 区域的 DEGs：不兼容互作中，A11 QTL 区域有 3 个 DEGs，qPCR 验证了其中一个基因的表达变化。
- qMi - C14 QTL 区域的 DEGs：qMi - C14 QTL 区域有 15 个 DEGs，多个基因在不同时间点差异表达，qPCR 进一步确认了两个候选基因的表达模式。
- 线虫响应基因的特定类别：
- 应激和防御响应基因：涉及茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）途径等防御相关基因在两种互作中差异调节。
- 细胞壁生物发生和重塑：不兼容互作中，相关 DEGs 在细胞壁相关功能类别中更丰富，且有独特的基因表达变化。
- 细胞生长和发育：许多参与细胞增殖和细胞周期调控的基因在响应线虫寄生时差异表达。
- 转录因子：多个转录因子家族在 RKN 感染后表达模式改变，不同家族在兼容和不兼容互作中的调节方式不同。
- 碳和能量代谢：参与糖代谢等途径的基因在两种互作中均有差异表达，反映了线虫寄生对植物代谢的影响。
研究结论和讨论部分表明，棉花与 RKN 的互作涉及复杂的基因表达调控。不兼容互作中，植物表现出更强的转录组响应，激活了包括基础防御基因和 R 基因在内的多种防御机制，符合植物免疫系统的 zig - zag 模型。转录因子如 WRKY、ERF、MYB 和 NAC 等在调节防御反应中发挥重要作用，激素调节的防御反应在互作过程中也广泛存在。此外，QTL 区域的 DEGs 是潜在的 RKN 抗性关键候选基因，如 qMi - C11 区域的 Gh_A11G3090（PUB21）和 Gh_A11G2836（RPPL1），以及 qMi - C14 区域的 Gh_D02G0257（RLP12）和 Gh_D02G0259（RLP12）。这些基因的发现为后续深入研究棉花对 RKN 的抗性机制提供了重要线索，有助于开发更有效的抗性育种策略，对可持续的线虫管理具有重要意义。同时，研究也指出了现有研究方法的局限性，为后续研究提供了方向，有望进一步揭示棉花与 RKN 互作的奥秘，保障棉花产业的健康发展。
