木薯细菌性枯萎病抗性候选基因的等位变异与差异表达研究揭示防御素(Manes.08G041100)和枯草杆菌蛋白酶(Manes.13G039400)的关键作用

本研究针对木薯细菌性枯萎病(CBB)这一造成50-100%产量损失的毁灭性病害，通过体外表型分析和基因测序技术，揭示了防御素(Manes.08G041100)和枯草杆菌蛋白酶(Manes.13G039400)两个候选抗性基因在Xanthomonas phaseoli pv. manihotis(Xpm)侵染下的差异表达模式，发现防御素基因在抗性基因型COL1505中显著高表达，为理解木薯-Xpm互作的分子机制提供了新证据。

　　

木薯(Manihot esculenta Crantz)是全球8亿人口的主粮作物，其耐旱性和贫瘠土壤适应能力使其成为发展中国家的重要粮食安全保障。然而木薯细菌性枯萎病(Cassava bacterial blight, CBB)由Xanthomonas phaseoli pv. manihotis(Xpm)引起，可导致50-100%的产量损失，目前培育抗病品种仍是最有效的防控策略。但CBB抗性的遗传基础尚未完全阐明，特别是数量性状位点(QTL)中候选基因的功能验证亟待深入。

针对这一科学问题，来自Alliance Biodiversity-CIAT的研究团队在《Tropical Plant Pathology》发表了重要成果。研究人员选取10个具有CBB抗性差异的木薯基因型，通过体外微植株接种Xpm681菌株进行表型分析，结合候选基因测序和qRT-PCR技术，系统研究了防御素(Manes.08G041100)和枯草杆菌蛋白酶(Manes.13G039400)两个关键抗性候选基因的等位变异与表达特征。

研究主要采用三大技术方法：(1)体外微植株接种体系评估10个基因型的病害进展曲线(logAUDPC)；(2)Sanger测序分析候选基因SNV并进行基因型-表型关联分析；(3)qRT-PCR检测抗/感对照基因型(COL1505/PER546)在50 hpi(小时 post-inoculation)时的基因表达差异。样本来源于国际农业研究机构保存的木薯种质资源。

CBB表型评估
通过28天持续监测发现，基因型COL1505(logAUDPC=0.30)和PER546(logAUDPC=1.49)表现出最显著的表型差异，前者仅出现轻微症状而后者发生茎部缢缩和顶芽死亡。

候选基因SNV分析
在防御素和枯草杆菌蛋白酶基因中鉴定出6个SNV，其中SNV2(C33F)导致防御素保守半胱氨酸变为苯丙氨酸，可能影响二硫键形成；SNV3(I64L)引发非极性到芳香族氨基酸的显著改变。但统计显示这些变异与logAUDPC无显著关联(P>0.05)。

基因表达特征

qRT-PCR显示在50 hpi时，抗性基因型COL1505的防御素表达量显著高于感性基因型PER546(P<0.01)，而枯草杆菌蛋白酶在两组中均被平等诱导。这表明防御素的高表达可能与症状控制直接相关。

该研究首次证实防御素基因Manes.08G041100的表达水平与木薯对Xpm的抗性程度存在显著相关性，为CBB抗性育种提供了重要分子标记。尽管SNV未显示表型关联，但发现的等位变异为后续GWAS研究奠定了基础。特别值得注意的是，防御素通过破坏细菌细胞膜的抗菌机制可能与其剂量依赖性效应相关，这解释了抗性基因型中高表达防御素的保护作用。研究创新性地将体外表型分析、等位变异筛查和时空特异性表达验证相结合，为解析复杂数量抗性提供了方法论示范。

这些发现不仅深化了对木薯-Xpm互作分子机制的理解，更重要的是为抗病育种提供了可操作的分子靶点——通过调控防御素表达水平或保留其特定氨基酸残基，可能显著增强木薯对CBB的田间抗性。随着全球气候变化加剧植物病害流行，这类基础研究成果对保障粮食安全具有重要战略意义。