转录组分析揭示了不同南瓜（Cucurbita moschata）近交系对根腐病抗性差异的潜在机制

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Transcriptomic analysis uncovers mechanisms underlying differential resistance to root rot in different pumpkin (Cucurbita moschata) inbred lines

　　

作者：Sa Haomin | Tang Fengyi | Gao Ruocheng | Qiao Xinhui | Li Jintao | Li Lele | Li Wanqi | Wang Yu | Yang Lifei | Zhang Ke | Pang Guan | Liu Xiaoying | Sun Jin

南京农业大学园艺学院，中国南京 211800

摘要

根腐病是影响黄瓜生产的一种严重病害，使用高质量的砧木可以提高抗病性。在本研究中，我们对30个南瓜自交系进行了Fusarium接种实验，最终筛选出一种优秀的南瓜砧木C53。与易感系C70相比，C53的病害指数和发病率显著降低。通过RNA-seq转录组分析结合加权基因共表达网络分析，阐明了这种差异抗性的分子机制。数据显示，C53启动了协调的多层防御反应，包括代谢重编程，产生对病原体不利的根糖谱型；增强了免疫感知和信号传导，表现为关键模式识别受体（如、ERF、FLS2、EIX1/2、CERK1）的强表达；以及通过MAPK-WRKY网络的增强防御信号传导，其中MPK4的激活抵消了上游的抑制作用。在结构上，C53通过钙信号介导的细胞壁生物合成（涉及纤维素和木质素）加强了物理屏障，并增强了卡斯帕里条带。相比之下，C70的防御机制失调，表现为病原体偏好的碳水化合物积累、早期免疫信号节点的广泛抑制以及细胞壁加固不足，从而导致更高的易感性。因此，C53的抗性来源于代谢、免疫和结构适应的协同整合，为其增强的耐受性提供了全面的生理框架。这些发现不仅鉴定了一种有价值的种质资源，还为培育抗Fusarium的葫芦科砧木指出了关键的分子靶点和途径。

引言

黄瓜根腐病是一种在保护性栽培中普遍存在且危害严重的土传病害，对黄瓜产量构成重大威胁。在中国江西省的95个保护性蔬菜生产基地中，根腐病的发生率为68.84% [1,2]。根腐病主要由真菌和卵菌引起，某些病原菌可以在土壤中存活长达十年 [3,4]。Fusarium属包含数百种单系物种，具有多种生态功能，包括重要的农业植物病原体、内生菌和新兴的临床病原体 [5]。特别是Fusarium solani是导致根腐病的主要病原体 [6]；Fusarium oxysporum是一种普遍存在的土传病原体，可引起多种植物的维管束萎蔫 [7]。

尽管通过文化、物理、生物和化学方法可以管理根腐病，但由于某些病原菌的宿主范围广泛，这些方法的效果往往有限，这降低了轮作的效果；同时，由于这些病害是土传的，化学控制既低效又会对有益微生物造成伤害 [4],[8],[9],[10]。嫁接技术已被越来越多地用于提高黄瓜对土传病害的抵抗力，并已被证明对许多常见病原体有效，但最近在山东和内蒙古等地区的嫁接黄瓜幼苗中观察到了严重的根腐病爆发 [11,12,13]。南瓜（Cucurbita moschata）是葫芦科的一年生匍匐草本植物，以其对环境条件的强适应性而闻名。研究表明，南瓜砧木可以提高黄瓜对土传病害的抵抗力，但其抗根腐病的效果取决于品种 [13,14]。这通过不同遗传资源的筛选得到了验证：中国研究人员在九个品种中鉴定出一个高抗性品系（Liu, 2010年），Pavlou等人[15]在九个品种中发现了六个抗性品系，Kamel和Taher[16]从二十个跨物种的Cucurbita杂交砧木中选择了三个抗性基因型。此外，虽然白籽南瓜相比黑籽南瓜具有优势 [17]，但发现和利用更多理想的黄瓜砧木仍然是一个紧迫的目标。

当植物受到病原体侵袭时，会以分层的方式激活一系列防御机制。第一道防线是病原体相关的分子模式触发免疫（PTI），在识别到保守的微生物特征时启动 [18]。为了在宿主体内定植，病原体会释放效应蛋白，这些蛋白通常会抑制PTI [19]，一些植物通过第二道防线——效应触发免疫（ETI）来对抗这一策略，后者通常更具特异性和效力 [20]。在嫁接黄瓜的情况下，南瓜砧木通过多层次的防御网络增强了对Fusarium根腐病的抵抗力。一个关键机制是系统免疫启动，即砧木使接穗预先敏感化，从而产生更强、更快的防御反应。这种启动效应与已建立的“Zig-Zag”植物免疫模型一致 [21]，通常涉及植物激素途径的调节。例如，南瓜激酶磷酸化转录因子，从而促进茉莉酸的生物合成，并在压力下增强嫁接黄瓜中的抗氧化酶活性 [22]。同时，砧木在接穗中诱导代谢重编程，导致抗真菌化合物（如特定酚酸和黄酮类化合物）的积累，这些化合物直接抑制Fusarium的生长 [12,23]。此外，砧木介导的抵抗力还涉及根际微生物群的重塑。南瓜砧木选择性地丰富了根际中的有益细菌，这些细菌可以在宿主植物中诱导系统抗性 [12,23,24,25]。这一过程类似于病害诱导的保护性根微生物群的组装 [24]。除了这些诱导的防御机制外，南瓜本身的抗逆特性（如强大的抗氧化系统 [26]）也可能有助于嫁接植物的整体韧性。因此，接穗的抗性是通过涉及系统信号传导、代谢重编程和砧木介导的微生物保护的综合机制得到增强的。然而，驱动这种协同防御的精确分子机制和关键调控基因仍有待进一步发现。

章节片段

植物材料和真菌培养

根腐病病原体Fusarium oxysporum的菌株ZSCN-1（菌株编号：ZSCN-1；RPB2为PZ267749；ITS为PZ251271；TEF-1α在NCBI GenBank数据库中的提交编号为#3076759）由中国农业科学院蔬菜花卉研究所提供。该菌株首先在马铃薯葡萄糖琼脂上培养，并在28°C下活化5-7天。随后，将活跃生长菌落边缘的菌丝块转移到马铃薯葡萄糖肉汤中

不同南瓜品系的根腐病抗性和易感性评估

接种Fusarium oxysporum后，对30个南瓜品系的抗性和发病率进行了评估。在这些自交系中，18个品系易感根腐病，而12个品系表现出抗性。最抗性的品系C53的病害指数最低（12.5%），发病率为26.7%。在病原体攻击后，C53植株保持正常生长，根毛丰富，没有明显的病害症状。相比之下，最易感的品系C70表现出最高的

讨论

南瓜砧木在葫芦科嫁接中广泛用于提高对生物和非生物胁迫的耐受性，这种效果高度依赖于基因型 [30]。本研究表明，C53是一种具有优异抗Fusarium根腐病能力的优良砧木基因型（图1）。与易感品系C70相比，抗性品系C53在转录水平上表现出多层次的抗性优势。

CRediT作者贡献声明

Haomin Sa：撰写——原始草稿，研究。Fengyi Tang：数据整理。Ruocheng Gao：数据整理。Xinhui Qiao：研究。Jintao Li：研究。Lele Li：数据整理。Wanqi Li：研究。Yu Wang：撰写——审阅与编辑。Lifei Yang：撰写——审阅与编辑。Ke Zhang：撰写——审阅与编辑。Guan Pang：撰写——审阅与编辑。Xiaoying Liu：撰写——审阅与编辑，可视化，正式分析，数据整理。Jin Sun：撰写——审阅与编辑，

作者声明没有已知的利益冲突。

资助

本工作得到了中国农业研究系统 [资助编号CARS-23-B16]和南京农业大学的SRT项目 [资助编号202414ZX003]的财政支持。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的利益冲突或个人关系。