WGCNA解析烟草褐斑病抗性基因共表达网络及关键调控因子作用机制

本研究针对烟草褐斑病（TBS）抗性机制不明的问题，通过转录组测序和加权基因共表达网络分析（WGCNA），系统解析了抗病品系DX14与感病品系ZY300在Alternaria alternata侵染后的基因调控网络。研究发现MAPK信号通路中bHLH、WRKY转录因子及乙烯合成基因等5个枢纽基因协同调控抗病反应，为植物-病原互作理论体系完善和病害防控提供了新靶点。

　　

烟草褐斑病（TBS）是由Alternaria alternata引起的毁灭性病害，每年造成巨大的经济损失。尽管烟草作为研究植物-病原互作的模式植物已有广泛应用，但对其抗TBS的关键基因和调控网络仍知之甚少。现有研究多集中在抗性QTL定位，而基因层面的分子机制研究严重滞后。这导致抗病育种缺乏有效的分子靶标，病害防控也面临巨大挑战。

中国农业科学院烟草研究所的研究团队通过比较抗病品系DX14和感病品系ZY300在A. alternata侵染后0 h、48 h和96 h的转录组动态，结合WGCNA分析，揭示了烟草抗TBS的分子机制。相关成果发表在《Industrial Crops and Products》上，为解析植物抗病网络提供了新视角。

研究采用Illumina HiSeq2500平台进行转录组测序，通过DESeq2筛选差异表达基因（DEGs），利用PlantTFDB和STRING数据库分别注释转录因子（TF）和蛋白互作网络，最后通过WGCNA（参数：deepSplit=3，minModuleSize=60）鉴定枢纽基因。

3.1 表型鉴定与RNA测序
接种48 h后，感病品系ZY30病斑面积显著大于抗病品系DX14。PCA分析显示，DX14在48 h的转录组特征独立成簇，表明其抗病响应最活跃。测序数据Q30均>93.76%，基因组比对率>90.26%。

3.2 基因表达变化
共鉴定18,772个DEGs，其中DX14在48 h上调基因数量显著多于ZY300。qRT-PCR验证9个随机基因的表达趋势与测序结果一致（R²=0.9046-0.9751）。

3.3 转录因子表达模式
880个差异表达TF分属22个家族，AP2/ERF、MYB和WRKY家族成员最多。DX14在48 h有364个TF上调，其中Nitab4.5_0000381g0130（WRKY70）的同源基因可激活JA和乙烯信号通路抵抗A. alternata。

3.4 植物激素相关基因
JA合成基因Nitab4.5_0000635g0100（同源基因为AtJAR1）在DX14_48h表达量激增，而ABA合成基因在侵染后表达下降，表明激素调控存在拮抗作用。

3.5 激酶响应
819个差异表达激酶中，受体样激酶Nitab4.5_0003547g0010（同源基因参与真菌免疫）在DX14中特异性高表达。

3.6 WGCNA筛选枢纽基因
从红色和洋红色模块中鉴定出5个枢纽基因，包括两个S-腺苷甲硫氨酸裂解酶基因（Nitab4.5_0004189g0010/0000915g0150）和WRKY29（Nitab4.5_0010695g0060）。PPI网络显示这些基因与NPR1（水杨酸信号核心调控因子）等已知抗病基因互作。

研究首次构建了烟草抗TBS的多层次调控网络：A. alternata侵染后，DX14通过快速激活MAPK信号通路（nta04016），促使WRKY和bHLH转录因子上调JA合成基因表达，同时抑制ABA信号通路，最终形成协同抗病反应。其中WRKY70和JAR1的同源基因可能通过JA-Ile（茉莉酸-异亮氨酸共轭物）调控抗性，而枢纽基因S-腺苷甲硫氨酸裂解酶可能通过谷胱甘肽-抗坏血酸氧化还原循环增强抗性。

该研究不仅为烟草抗病育种提供了分子靶点（如WRKY29和bHLH转录因子），其建立的WGCNA分析框架也为其他作物抗病机制研究提供了范式。未来可通过基因编辑验证这些枢纽基因的功能，进一步解析MAPK-JA信号轴在抗TBS中的作用。