动态转录组响应揭示针对粉痂菌（Spongospora subterranea f. sp. subterranea）和马铃薯帚顶病毒（Potato mop-top virus）感染的候选防御基因

《Frontiers in Plant Science》：Dynamic transcriptomic responses reveal candidate defense genes against Spongospora subterranea f. sp. subterranea and Potato mop-top virus infection

　　

粉痂病是由粉痂菌（Spongospora subterranea f.sp. subterranea, Sss）引起的一种持久性土传马铃薯病害。Sss还是马铃薯帚顶病毒（Potato mop-top virus, PMTV）的唯一已知传播媒介，对块薯品质和市场价值构成另一重大威胁。尽管目前商业品种对Sss和PMTV表现出部分抗性，但其抗性遗传机制仍知之甚少。在本研究中，研究人员利用转录组学方法探究了马铃薯对Sss和PMTV抗性的分子基础。研究人员分析了三种表现出不同易感性水平的马铃薯品种在早期感染时间进程中的RNA测序数据。通过对差异基因表达（Differential Gene Expression, DGE）和基因共表达网络（Gene Co-expression Network, GCN）的整合分析，鉴定出80个与防御响应相关的高置信度候选基因，其中52个与Sss感染相关，28个与PMTV感染相关。这些基因包括推定的免疫受体基因，如核苷酸结合亮氨酸富集重复（Nucleotide-binding Leucine-rich Repeat, NLR）蛋白和亮氨酸富集重复受体样激酶（Leucine-rich Repeat Receptor-like Kinases, LRR-RLKs），它们分别作为抗性（Resistance, R）基因和模式识别受体（Pattern Recognition Receptors, PRRs）发挥作用。其他候选基因还包括植物激素相关基因以及编码脂氧合酶（Lipoxygenase, LOX）、谷胱甘肽S-转移酶（Glutathione-S-transferase, GST）和Bet v I家族蛋白（PR10）的基因。这些发现增进了研究人员对Sss和PMTV宿主防御机制的理解，并为抗性育种和商业重要马铃薯品种的遗传改良提供了分子靶标。

马铃薯粉痂病是由原生生物病原菌粉痂菌（Spongospora subterranea f. sp. subterranea, Sss）引起的全球性重要土传病害，其寄主范围广泛，产生的休眠孢囊堆（sporosori）可在侵染田地中存活十余年，使得化学防治和文化措施均难以奏效，因此宿主抗性成为可持续生产的根本保障。然而，尽管商业品种对Sss和PMTV的易感性存在显著差异，表明抗性具有遗传基础，但相关基因组知识仍十分有限，抗性机制尚不清楚。此外，Sss还是PMTV的唯一已知传播媒介，PMTV作为检疫性病原物在多国受到管控，进一步加剧了经济重要性。在此背景下，研究人员于《Frontiers in Plant Science》发表了这项研究，旨在通过整合差异基因表达（DGE）分析与基因共表达网络（GCN）分析，鉴定与Sss和PMTV抗性相关的高置信度候选基因，为抗性育种提供分子资源。

该研究选用三种具有对比抗性表型的马铃薯品种作为材料：Shepody（SH，高感）、Russet Burbank（RB，中抗）和Premier Russet（PR，相对抗病）。研究人员首先利用毛状根培养体系，在接种后3、6、12、24、48和72小时共六个时间点采集根组织样本，进行Illumina NovaSeq平台（2 × 150 bp双端测序）的RNA测序。原始数据经过质量控制、批次效应和噪声校正后，最终获得121个样本用于后续分析。通过edgeR包进行DGE分析，识别差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs）；同时利用加权基因共表达网络分析（Weighted Gene Co-expression Network Analysis, WGCNA）构建GCN，并通过模块-性状关联分析识别与特定品种-处理组合显著相关的模块。最终将DEGs与模块中的枢纽基因（hub genes）取交集，获得优先候选基因。RT-qPCR用于验证部分基因的表达。

研究结果部分，研究人员首先报告了Sss感染相关的差异基因表达特征。在Sss感染响应中，三个品种共鉴定出1,783个DEGs，其中PR显著富集水杨酸（Salicylic Acid, SA）相关通路，而SH中SA相关术语显著下调，表明SA介导的防御信号在抗病品种中被激活而在感病品种中被抑制。此外，PR中生长素相关基因上调，而茉莉酸、乙烯、脱落响应等其他植物激素通路未显示明显的品种特异性富集模式。防御信号组分方面，RPM1互作蛋白4（RPM1-interacting protein 4, RIN4）在PR中上调而在RB中下调；LRR结构域蛋白、壁相关受体激酶样蛋白21（Wall-associated Receptor Kinase-like 21, WAKL21）和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶SMG1在PR中显著上调，提示受体介导的防御信号增强。细胞壁强化方面，木质素生物合成相关类别在PR中显著上调，而SH中木质素和细胞壁相关基因下调，表明PR存在结构强化而SH出现细胞壁弱化。活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）、细胞死亡和钙信号方面，ROS相关术语在SH的6小时和RB的72小时零星上调；细胞死亡相关术语在SH和PR中主要下调；钙信号组分显示强烈品种特异性，PR中钙相关过程持续上调，而SH主要下调。

PMTV感染相关差异基因表达方面，三个品种共鉴定1,341个DEGs。PMTV显著触发茉莉酸（Jasmonic Acid, JA）相关响应，尤其在SH的早期时间点，而RB在多个时间点JA相关类别下调。细胞壁相关术语在SH和PR中上调，同时在SH和RB中其他细胞壁类别下调，显示复杂的结构重塑。值得注意的是，SH在多个时间点防御相关术语下调，暗示这种重编程可能有利于PMTV感染。

基因共表达网络分析部分，Sss相关GCN分析鉴定出61个共表达模块，其中三个模块与性状显著相关：MEred模块（1,353个基因）与PR在模拟和Sss处理下均强关联，提示与抗性相关的组成型和诱导型转录特征；MEgreen模块（1,369个基因）与RB在Sss处理下特异关联；MEbrown模块（2,053个基因）与SH模拟处理关联，可能反映感病背景下感染前即存在且无法有效重塑的转录状态。PMTV相关GCN分析鉴定出58个模块，其中MEyellow模块（1,654个基因）与PR在带毒Sss处理下关联，MEbrown模块（1,752个基因）与SH在带毒Sss处理下关联，MEgreen模块（1,275个基因）与RB仅在非带毒Sss处理下关联而不与PMTV感染关联，提示RB可能无法启动协调的PMTV特异性转录响应。

候选基因鉴定部分，通过DGE-GCN整合分析，Sss感染共鉴定52个候选基因（SH中35个、RB中4个、PR中15个），包括两个GST基因、PR1样和Bet v I（PR10）基因等。PMTV感染鉴定28个候选基因（SH中13个、RB中10个、PR中6个），包括GSTs及多个未知功能基因。免疫受体基因分析中，52个Sss相关候选基因中有4个编码LRR蛋白，包括两个NLR基因、一个LRR-RLK基因和一个LRR-RLP基因，这些免疫受体在SH中均下调。28个PMTV相关候选基因中有一个TIR-NLR编码基因Soltu.DM.06G004980.4，在SH中PMTV感染后表达降低。三个鉴定的NLR在系统发育上密切相关，共享53-67%的同一性和63-73%的相似性。核心模块分析进一步揭示了候选PRRs和NLRs的共表达网络，如Sss相关NLR Soltu.DM.11G001840.2的核心模块中存在潜在RLK及RIN4样调控防御蛋白，而PMTV相关NLR Soltu.DM.06G004980.4的核心模块包含PR10蛋白。

讨论部分，研究人员深入分析了多个关键基因和通路。SA在Sss响应中的作用方面，研究结果与先前报道一致，即SA在介导对Sss的差异抗性响应中发挥重要作用，下调SA通路与SH的易感性相关，而外源SA处理可降低Sss水平，提示靶向SA介导的防御机制可能是管理粉痂病的有效策略。生长素作为粉痂病症状的潜在调节因子方面，PR中ARF和IGPS两个生长素相关基因上调，且生长素响应蛋白SAUR65样出现在NLR核心网络中。然而，生长素也与根瘤状症状发展相关，其在Sss诱导病害中的精确作用尚需进一步阐明。免疫受体在防御Sss和PMTV中的潜在作用方面，鉴定的LRR-RLK和LRR-RLP可能作为PRR参与模式触发免疫（Pattern-triggered Immunity, PTI），而TNL作为传感器NLR可能参与效应子触发免疫（Effector-triggered Immunity, ETI）。其中LRR-RLK Soltu.DM.03G011810.2的核心模块包含已知的根结线虫抗性相关基因PSH-RGH7，显示重要的抗性模块潜力。GST在宿主防御中的潜在参与方面，多个GST基因在Sss和PMTV响应中差异调控，与SA信号相关，可能参与毒素解毒和氧化应激缓解。LOX的潜在参与方面，两个9S-LOX被鉴定为候选基因，其催化产物包括JA生物合成的关键中间体12-氧-植物二烯酸（12-oxo-phytodienoic acid, OPDA）。研究人员先前工作表明OPDA依赖性信号而非JA本身可能在某些条件下发挥关键防御作用，LOX通过协调氧化脂质信号、与GST的氧化还原调节以及物理屏障形成，构成多方面的免疫策略。

研究结论指出，本研究鉴定了80个高置信度候选基因（52个与Sss感染相关，28个与PMTV感染相关），显著推进了对宿主响应的理解，为控制对全球马铃薯生产日益构成威胁的两种病原物提供了潜在途径。未来工作将聚焦于分子遗传验证，包括基因过表达、RNA干扰和CRISPR介导的基因敲除等方法，以确定其在病害抗性和易感性中的因果作用，并将验证后的基因作为回交育种或生物技术改良的靶标，以及分子标记用于加速抗性育种选择，最终培育兼具农艺优良性状和持久抗性的马铃薯品种，实现粉痂病和PMTV的可持续管理。