合成多倍化通过重塑小麦转录组和强化微生物组增强对禾谷镰刀菌的抗性

这篇研究揭示了合成六倍体小麦（SHW）通过多倍化（polyploidisation）重塑根系转录组和微生物组（microbiome）来增强对禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）耐受性的新机制。研究发现SHW品系HG116（2n=6x=42, BBAADD）通过上调脱水素（dehydrin）基因表达，并富集放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）等有益菌群，在维持微生物稳态的同时实现病原耐受。该研究为开发抗病小麦品种提供了基因组-微生物组协同作用的创新策略。

　　

合成多倍化增强小麦对禾谷镰刀菌耐受性的机制研究

2.1 合成六倍体小麦品系HG116的创制与鉴定

研究团队通过四倍体硬粒小麦（Triticum turgidum ssp. durum，Langdon，2n=4x=28，BBAA）与二倍体粗山羊草（Aegilops tauschii，SY41，2n=2x=14，DD）杂交，经自交获得S1代新型合成六倍体小麦（SHW）HG116（2n=6x=42，BBAADD）。荧光原位杂交（FISH）核型分析证实HG116完整继承了双亲的染色体组成，未出现结构变异。表型分析显示HG116兼具双亲优势性状：穗长显著优于Langdon（增加23.6%），籽粒面积和周长分别比亲本增加15.8%和12.4%，同时保留了Langdon的株高和分蘖数特征。

2.2 多倍化驱动的根系转录组重塑

RNA-seq分析揭示HG116根系存在显著的亚基因组表达分化：与二倍体亲本SY41（DD基因组）相比，HG116出现2067个差异表达基因（DEGs），显著多于与四倍体亲本Langdon（AABB基因组）的1416个DEGs。GO富集分析显示这些DEGs主要富集于胁迫响应通路，包括对生物刺激响应（GO:0009607）、伤口反应（GO:0009611）以及对真菌防御反应（GO:0050832）等。值得注意的是，D基因组基因在响应水分胁迫（GO:0009415）和胚胎发育（GO:0009793）等方面展现出独特功能偏好。

2.3 微生物组组成的多倍化调控

16S rRNA和ITS测序表明，HG116的根际和根内微生物组具有显著特征：根际中α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）相对丰度比亲本高1.8倍，而γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）降低42%。LEfSe分析鉴定出HG116特异的25个细菌生物标志物，包括促进植物生长的根瘤菌科（Rhizobiaceae）和慢生根瘤菌科（Bradyrhizobiaceae）。有趣的是，HG116根内放线菌门（Actinobacteria）占比达28.5%，显著高于亲本（Langdon 15.2%，SY41 18.7%），其中诺卡氏菌科（Nocardiaceae）成为关键枢纽类群。

3.1 多倍化赋予的病原耐受特性

禾谷镰刀菌接种实验显示，HG116表现出与抗病品种AK58相当的耐受性，病斑面积仅为感病亲本的31-45%。深入分析发现，HG116通过两种协同机制实现耐受：1）转录层面显著上调脱水素（LEAP）、通用胁迫蛋白（USPFP）等基因表达，其中TaDHN-4表达量增加12.5倍；2）微生物层面维持放线菌门（32.1%）与厚壁菌门（18.7%）的优势比例，抑制病原相关γ-变形菌纲（仅占9.8%）的增殖。

3.2 脱水素基因的核心作用

WGCNA分析鉴定出与耐受性显著相关的AABB-MEturquoise模块（r=0.73）和DD-MEblue模块（r=0.75），其枢纽基因主要参与水分响应和氧化还原平衡。特别值得注意的是，HG116中7个Y_nSK_n型脱水素基因的协同高表达，可能通过其K-片段形成的两亲性α螺旋结构直接抑制禾谷镰刀菌菌丝生长，同时激活JA信号通路间接增强防御反应。

3.3 微生物组稳态的防御价值

病原胁迫下，HG116根际微生物网络复杂度提升1.34倍，其中放线菌门节点占比从12%增至29.8%，成为维持网络稳定的关键枢纽。功能预测显示这些菌群显著增强精氨酸代谢（MetaCyc00220）和苯丙烷生物合成（map00940）通路。相比之下，感病品种则出现γ-变形菌纲异常增殖（+58%）和微生物网络崩溃（边数减少71.4%）的典型失调特征。

4.1 多倍化的双重防御策略

本研究首次阐明合成六倍体小麦通过"基因组-微生物组"双重调控实现病原耐受：D基因组通过扩大脱水素基因家族增强胁迫响应能力；而多倍化诱导的根系分泌物改变（如三萜类化合物）选择性地富集了放线菌等有益菌群。这种"细胞保护-生态调控"协同机制为小麦抗病育种提供了新思路——通过人工合成多倍体同时优化宿主基因组和共生微生物组，实现可持续病害防控。