近日，华中农业大学园艺林学学院孔秋生教授团队在Plant Cell & Environment在线发表了题为“Integrated full‐length transcriptome and metabolome analysis reveals the defence response of melon to gummy stem blight”的研究论文。该研究首次整合全长转录组、广泛靶向代谢组和组织化学染色的研究手段探究了抗病与感病甜瓜对蔓枯病病原菌侵染的早期防御响应的差异，该研究不仅拓展了我们对甜瓜与蔓枯病互作的认识，也有助于选育具有蔓枯病抗性的优良甜瓜品种。
蔓枯病是影响葫芦科作物种植生产的一种主要的毁灭性真菌病害，在有利于病原菌生长的条件下，露地栽培的甜瓜发病率可达25%，设施栽培甜瓜的发病率可达80%，发病后的产量损失可达100%，严重阻碍了甜瓜产业的健康发展。目前，甜瓜蔓枯病的防治主要依赖化学药剂，然而过度使用杀菌剂会使病原菌的耐药性增加，同时不可避免地对环境和食品安全造成负面影响。因此，研究甜瓜对蔓枯病病原菌入侵作出的防御响应及抗性机理，对于甜瓜抗蔓枯病遗传改良具有重要意义。
该研究首先通过台盼蓝染色法对蔓枯病病原菌在抗病甜瓜PI511890与感病甜瓜Payzawat叶片上的生长及侵染过程进行观察，在感病材料Payzawat上可以明显观察到病原菌侵染过程的5个阶段：分生孢子萌发、芽管形成与伸长、附着胞形成、菌丝生长与蔓延、菌丝入侵，相比之下，病原菌在抗病材料PI511890的叶片上的生长受到了明显的抑制，在24 hpi才观察到分生孢子萌发。研究人员同时利用DAB与NBT等组织化学染色法对抗感甜瓜叶片上ROS积累量进行了检测与分析，发现所有处理组中的 H2O2与O2?积累量均高于其对照组，并且在24 hpi，Payzawat叶片上ROS的积累量显著高于PI511890。实验表明蔓枯病病原菌的入侵促进了甜瓜叶片上活性氧的积累，并且确定24 hpi为Payzawat与PI511890对蔓枯病病原菌的侵染早期作出不同防御响应的关键时间点。
在此基础上，研究人员对蔓枯病病原菌侵染后24小时的抗感材料进行了全长转录组与广泛靶向代谢组分析，探究其对蔓枯病病原菌的早期防御响应的差异。通过全长转录组分析，研究人员分别鉴定并分析了甜瓜材料被病原菌侵染前后的新基因与新转录本、可变剪切（AS）以及融合基因等。经病原菌侵染后，在PI511890中鉴定的新基因和差异表达基因均特异性富集到了与抗病相关的MAPK信号通路，同时GO富集分析结果表明包括过氧化氢分解代谢过程、细胞壁组织、损伤反应和防御反应在内的四个GO terms被显著特异富集，表明PI511890可能通过分解过氧化氢和防止病原真菌破坏细胞壁来抑制蔓枯病病原菌的入侵。此外，该研究检测到11793个AS事件，包括7种类型（A3 > A5 > RI > SE > AF > AL > MX），富集分析结果显示Payzawat在病原菌侵染后的158个差异AS事件与碳水化合物代谢相关，而PI511890在病原菌侵染后的117个差异AS事件与RNA转运相关。以上结果表明新基因与可变剪切事件均广泛参与了甜瓜对蔓枯病病原菌的早期防御响应，并在Payzawat和PI511890之间存在显著差异。
随后研究人员通过代谢组分析对所检测到的910种代谢物进行了分类、差异鉴定及富集分析，其中黄酮类物质占比最多，并且蔓枯病病原菌的侵染导致Payzawat和PI511890中类黄酮的种类和含量发生了显著变化，而金圣草黄素及其衍生物在PI511890中大量积累。此外，有6种差异代谢物在抗感材料中表现出完全相反的积累模式，草酸在PI511890经病原菌侵染后正积累而在Payzawat中负积累，PI511890中正积累的草酸来源于三羧酸循环和乙醛酸循环。研究人员通过全长转录组与代谢组的联合分析，进一步发现转录后调控广泛参与了甜瓜对蔓枯病的防御响应，并推断圣草酚和草酸为甜瓜抗蔓枯病的早期标志性代谢物。综上，该研究揭示了甜瓜在转录与代谢水平上对蔓枯病的早期防御响应，为阐明甜瓜对蔓枯病的抗性机制提供了重要见解和理论依据。
华中农业大学园艺林学学院孔秋生教授和新疆农科院哈密瓜研究中心张永兵研究员为本文共同通讯作者，在读硕士生汪海燕为第一作者。新疆农科院哈密瓜研究中心张学军研究员参与了本项研究。本研究得到湖北省重点研发项目，中央高校基本科研业务费，新疆科技重大项目和现代农业产业技术体系等课题资助。
英文摘要：
Gummy stem blight （GSB）， a widespread disease causing great loss to cucurbit production, has become a major threat to melon cultivation. However, the melon–GSB interaction remains largely unknown. Here, full-length transcriptome and widely targeted metabolome were used to investigate the defence responses of resistant （PI511089） and susceptible （Payzawat） melon accessions to GSB pathogen infection at 24?h. The biosynthesis of secondary metabolites and MAPK signalling pathway were specifically enriched for differentially expressed genes in PI511890, while carbohydrate metabolism and amino acid metabolism were specifically enriched in Payzawat. More than 1000 novel genes were identified and MAPK signalling pathway was specifically enriched for them in PI511890. There were 11?793 alternative splicing events involving in the defence response to GSB. Totally, 910 metabolites were identified in Payzawat and PI511890, and flavonoids were the dominant metabolites. Integrated full-length transcriptome and metabolome analysis showed eriodictyol and oxalic acid were the potential marker metabolites for GSB resistance in melon. Moreover, posttranscription regulation was widely involved in the defence response of melon to GSB pathogen infection. These results not only improve our understanding on the interaction between melon and GSB, but also facilitate the genetic improvement of melon with GSB resistance.
日期：2024-04-04
