東北地理所在大豆對線蟲抗性研究領域取得重要進展
大豆孢囊線蟲病（SCN，Heterodera glycines）是制約大豆生產的全球毀滅性病害之一。大豆抗病品種應用是防治大豆孢囊線蟲病最經濟有效的方法，然而大豆對大豆孢囊線蟲的抗性是由多基因控制并具有數量性狀的特性，但抗性背景單一，線蟲生理小種易發生變異，因此亟需開發多抗基因資源和培育多抗品種。農田有害生物控制學科組王從麗研究員團隊在前期研究過程中篩選到一個新的大豆抗線蟲育種基因型09-138（rhg1a + Rhg4b），對毒性強的生理小種（SCN4）具有抗性，但對毒性弱的生理小種（SCN5）感病（Huang等，2022，Nematology），為了充分利用該抗性資源，了解其抗性機制，該團隊首次在大豆上利用三代全長轉錄組測序技術（Oxford Nanopore Technology, ONT）開展了該大豆種質對孢囊線蟲親和性（感病）和非親和性（抗病）反應的調控機理研究。
三代全長轉錄組測序技術相比二代測序技術，無需打斷，可直接讀取全長RNA分子全長序列，準確辨別二代測序技術無法準確識別的如可變剪接（AS）、可變多聚腺苷酸化（APA）、融合基因、長鏈非編碼RNA（lncRNA）等結構，且可同時對基因和轉錄本進行定量分析等優點。通過對接種8天的大豆種質09-138進行全長轉錄組測序及分析，共獲得6.1 GB的clean data和65,038個轉錄本序列；轉錄本去冗余后鑒定得到1117個新基因和41,096個新轉錄本；進而對新轉錄本的序列結構進行分析，發現不親和抗性反應比親和性反應產生更多>10-PolyA位點（APA）和更多得融合基因，lncRNA和防御反應有關的轉錄因子相關聯，AS的3’和5’剪接位點數量接種后都發生變化，說明這些結構變異參與了線蟲的抗感反應。差異表達基因（DEGs）的GO（Gene Oncology）和代謝通路KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）分析結果顯示抗感線蟲侵染后富集于生長激素、生長素激活信號通路和多維細胞生長通路以及苯丙烷生物合成通路（圖1）；在非親和反應中發現更多的與應激反應元件（圖2）、植物激素信號轉導途徑和植物-病原菌互作途徑相關的DEGs上調表達（圖1），而在親和性反應中檢測到更多與細胞壁修飾和碳水化合物生物過程相關的上調基因表達；結合DEGs的蛋白質-蛋白質互作分析首次發現線蟲侵染大豆根部后只有不親和反應激起激酶MAPK/KK/KKK、轉錄因子WRKY和鈣調蛋白VQ之間互作參與抗性防御調控（模型如圖3）。本研究中獲得的AS、APA和lncRNA為植物-線蟲相互作用過程中轉錄后修飾的功能研究提供理論基礎，且大豆與大豆孢囊線蟲間親和性和非親和性互作的分子機制將有助于解析其他植物與線蟲互作的分子機理，進一步的功能研究將有助于探索線蟲防治的新策略。
該研究成果于近期發表在國際期刊Frontiers in Plant Science上。黃銘慧助理研究員和姜野博士研究生為共同第一作者，李春杰研究員和王從麗研究員為共同通訊作者。該研究得到中國科學院先導專項和國家自然科學基金資助。
論文信息：
Huang M, Jiang Y, Qin R, Jiang D, Chang D, Tian Z, Li C and Wang C. Full-Length Transcriptional Analysis of the Same Soybean Genotype With Compatible and Incompatible Reactions to Heterodera glycines Reveals Nematode Infection Activating Plant Defense Response. Frontiers in Plant Science. 2022, 13:866322.
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.866322/full
圖1 抗病與感病反應中差異表達基因的KEGG通路分析
圖2 抗病與感病反應中差異表達基因的GO注釋
圖3 大豆孢囊線蟲侵染大豆不親和反應激起MAPK-WRKY-VQ互作防御反應
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