整合转录组和代谢组学分析揭示玉米对层出镰孢茎腐病的响应机制

作     者：曹言勇 程泽强 马娟 杨文博 朱卫红 孙新艳 李慧敏 夏来坤 段灿星 

作者机构：河南省农业科学院粮食作物研究所/神农种业实验室 中国农业科学院作物科学研究所/作物基因资源与育种全国重点实验室 

出 版 物：《中国农业科学》 (Scientia Agricultura Sinica)

年 卷 期：2025年第1期

页      面：75-90页

核心收录：

学科分类：09[农学] 0904[农学-植物保护] 090401[农学-植物病理学] 090402[农学-农业昆虫与害虫防治] 

基　　金：国家重点研发计划(2021YFD1200700) 中国农业科学院农业科技创新工程项目(01-ICS-02) 河南省玉米产业技术体系建设专项(HARS-22-02-G2) 

主　　题：转录组 代谢组 玉米茎腐病 层出镰孢 苯丙氨酸代谢 

摘      要：【目的】玉米茎腐病严重威胁玉米的产量与品质，其致病菌复杂，层出镰孢（Fusarium proliferatum）近年来逐渐成为主要病原之一。本研究旨在通过多组学联合分析，深入探究玉米对层出镰孢茎腐病的响应机制，明确差异基因和差异代谢物富集的信号通路在玉米抗病过程中的关键作用，为玉米抗茎腐病育种和病害防控提供理论依据。【方法】选择对层出镰孢具有不同抗性的玉米自交系ZC17（抗病）和CH72（感病）作为研究材料。在玉米9叶期，对其进行接种处理，接种组注射层出镰孢菌液，模拟接种组注射等量的PDB，随后用凡士林封闭伤口。接种后7 d，采集接种区域上下茎段中间位置的组织样本，分别用于转录组测序和非靶向代谢组学检测。同时对接种后的植株进行茎腐病症状评估，计算茎腐病平均评分（SRSA）和病情指数（DSI）。利用多种生物信息学工具对转录组测序数据和代谢组学数据进行分析，并通过实时荧光定量PCR（RT-qPCR）对差异基因进行验证。【结果】表型和生理数据显示，接种层出镰孢后，CH72发病程度显著高于ZC17，其SRSA增加2.48倍，DSI增加35.36%。转录组和代谢组的PCA结果显示，各组内样本的重现性很高，ZC17和CH72相互分离，FP组和MK组相互分离。转录组分析表明，接种后CH72的差异表达基因数量多于ZC17，但二者近50%的差异基因表达趋势相同。功能注释和富集分析发现，差异基因和差异代谢物主要富集于植物次生代谢产物生物合成、苯丙氨酸代谢、植物激素生物合成及植物-病原体相互作用等途径。转录组和代谢组联合分析证实，苯丙氨酸代谢以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成在玉米抗层出镰孢过程中起关键作用。此外，多个转录因子家族（如MYB、bHLH、NAC和WRKY等）在接种层出镰孢后被显著激活，表明这些转录因子在玉米抗病分子调控网络中可能发挥重要作用。qPCR与转录组测序结果在4个组中的表达趋势一致，Spearman相关分析也显示转录组测序数据和qPCR结果之间高度一致（r=0.75,P=7.5e-05）。【结论】苯丙氨酸代谢相关途径在玉米响应层出镰孢茎腐病中至关重要；C4H、PAL、ADT、GOT等关键酶以及显著上调的代谢物如2-香豆酸、3-羟基肉桂酸、吲哚、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸在植物抗病中起重要作用。本研究挖掘出的潜在抗病相关转录因子、基因和代谢物可为深入解析玉米对层出镰孢茎腐病的分子响应机制提供重要依据。