基于多组学技术鉴定甜菜根肿病抗性关键基因与代谢特征

《BMC Plant Biology》：Multi-omics analysis reveals distinct features of an ethyl methanesulfonate (EMS)-derived rhizomania-resistant mutant sugar beet breeding line

　　

摘要

背景

由甜菜坏死黄化病毒（BNYVV）引起并通过Polymyxa betae传播的甜菜根肿病会大幅降低糖分产量。商业品种的抗性主要依赖于Rz1和Rz2抗性基因。鉴于存在能够突破Rz1抗性的BNYVV菌株，以及甜菜根肿病抗性资源的有限性，寻找这种病害的新抗源变得十分必要。

结果

研究人员利用早期培育出的抗根肿病的甜菜EMS（乙基甲磺酸）育种系KEMS12、其他易感品种（S系）、田间自然感染情况以及多组学工具，研究了抗性的潜在机制。通过对之前存档的Illumina全基因组测序（WGS）数据进行分析，发现KEMS12在第五和第六染色体上具有更多的基因型特异性基因组变异，包括单核苷酸多态性（SNPs）和插入缺失（indels）、缺失（indels）。本研究生成的转录组数据显示，在无症状和有症状阶段，R系的叶片和根部中某些基因的表达量显著上调（>5倍），例如Bevul.4G018600.1（GOS9蛋白）、Bevul.4G190100.1（组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶SUVR2）、Bevul.2G017800.14（含有U-box结构域的蛋白质4）和Bevul.1G070100.1（类似MLP的蛋白质）。通路分析表明，差异表达的基因主要集中在次级代谢产物的合成途径上。代谢组分析显示，在R系的根部中，谷氨酰胺、L-吡咯谷氨酸、天冬酰胺和甜菜碱等代谢物的含量在有症状和无症状阶段均较高。通过对比EMS诱导的基因突变及其表达变化，研究人员确定了与R系特定代谢物变化显著相关的候选基因。

结论

本研究发现了与甜菜根肿病抗性相关的基因和代谢物，这可能成为新的抗性来源。这些发现未来有望用于提高现有品种的抗根肿病能力。

背景

由甜菜坏死黄化病毒（BNYVV）引起并通过Polymyxa betae传播的甜菜根肿病会大幅降低糖分产量。商业品种的抗性主要依赖于Rz1和Rz2抗性基因。鉴于存在能够突破Rz1抗性的BNYVV菌株，以及甜菜根肿病抗性资源的有限性，寻找这种病害的新抗源变得十分必要。

结果

研究人员利用早期培育出的抗根肿病的甜菜EMS（乙基甲磺酸）育种系KEMS12、其他易感品种（S系）、田间自然感染情况以及多组学工具，研究了抗性的潜在机制。通过对之前存档的Illumina全基因组测序（WGS）数据进行分析，发现KEMS12在第五和第六染色体上具有更多的基因型特异性基因组变异，包括单核苷酸多态性（SNPs）和插入缺失（indels）。本研究生成的转录组数据显示，在无症状和有症状阶段，R系的叶片和根部中某些基因的表达量显著上调（>5倍），例如Bevul.4G018600.1（GOS9蛋白）、Bevul.4G190100.1（组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶SUVR2）、Bevul.2G017800.14（含有U-box结构域的蛋白质4）和Bevul.1G070100.1（类似MLP的蛋白质）。通路分析表明，差异表达的基因主要集中在次级代谢产物的合成途径上。代谢组分析显示，在R系的根部中，谷氨酰胺、L-吡咯谷氨酸、天冬酰胺和甜菜碱等代谢物的含量在有症状和无症状阶段均较高。通过对比EMS诱导的基因突变及其表达变化，研究人员确定了与R系特定代谢物变化显著相关的候选基因。

结论

本研究发现了与甜菜根肿病抗性相关的基因和代谢物，这可能成为新的抗性来源。这些发现未来有望用于提高现有品种的抗根肿病能力。