近日，華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院孔秋生教授團隊在Plant Cell & Environment在線發(fā)表了題為“Integrated full‐length transcriptome and metabolome analysis reveals the defence response of melon to gummy stem blight”的研究論文。該研究首次整合全長轉(zhuǎn)錄組、廣泛靶向代謝組和組織化學染色的研究手段探究了抗病與感病甜瓜對蔓枯病病原菌侵染的早期防御響應(yīng)的差異，該研究不僅拓展了我們對甜瓜與蔓枯病互作的認識，也有助于選育具有蔓枯病抗性的優(yōu)良甜瓜品種。

 

　　蔓枯病是影響葫蘆科作物種植生產(chǎn)的一種主要的毀滅性真菌病害，在有利于病原菌生長的條件下，露地栽培的甜瓜發(fā)病率可達25%，設(shè)施栽培甜瓜的發(fā)病率可達80%，發(fā)病后的產(chǎn)量損失可達100%，嚴重阻礙了甜瓜產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。目前，甜瓜蔓枯病的防治主要依賴化學藥劑，然而過度使用殺菌劑會使病原菌的耐藥性增加，同時不可避免地對環(huán)境和食品安全造成負面影響。因此，研究甜瓜對蔓枯病病原菌入侵作出的防御響應(yīng)及抗性機理，對于甜瓜抗蔓枯病遺傳改良具有重要意義。

 

　　該研究首先通過臺盼藍染色法對蔓枯病病原菌在抗病甜瓜PI511890與感病甜瓜Payzawat葉片上的生長及侵染過程進行觀察，在感病材料Payzawat上可以明顯觀察到病原菌侵染過程的5個階段：分生孢子萌發(fā)、芽管形成與伸長、附著胞形成、菌絲生長與蔓延、菌絲入侵，相比之下，病原菌在抗病材料PI511890的葉片上的生長受到了明顯的抑制，在24 hpi才觀察到分生孢子萌發(fā)。研究人員同時利用DAB與NBT等組織化學染色法對抗感甜瓜葉片上ROS積累量進行了檢測與分析，發(fā)現(xiàn)所有處理組中的 H2O2與O2?積累量均高于其對照組，并且在24 hpi，Payzawat葉片上ROS的積累量顯著高于PI511890。實驗表明蔓枯病病原菌的入侵促進了甜瓜葉片上活性氧的積累，并且確定24 hpi為Payzawat與PI511890對蔓枯病病原菌的侵染早期作出不同防御響應(yīng)的關(guān)鍵時間點。

 

　　在此基礎(chǔ)上，研究人員對蔓枯病病原菌侵染后24小時的抗感材料進行了全長轉(zhuǎn)錄組與廣泛靶向代謝組分析，探究其對蔓枯病病原菌的早期防御響應(yīng)的差異。通過全長轉(zhuǎn)錄組分析，研究人員分別鑒定并分析了甜瓜材料被病原菌侵染前后的新基因與新轉(zhuǎn)錄本、可變剪切（AS）以及融合基因等。經(jīng)病原菌侵染后，在PI511890中鑒定的新基因和差異表達基因均特異性富集到了與抗病相關(guān)的MAPK信號通路，同時GO富集分析結(jié)果表明包括過氧化氫分解代謝過程、細胞壁組織、損傷反應(yīng)和防御反應(yīng)在內(nèi)的四個GO terms被顯著特異富集，表明PI511890可能通過分解過氧化氫和防止病原真菌破壞細胞壁來抑制蔓枯病病原菌的入侵。此外，該研究檢測到11793個AS事件，包括7種類型（A3 > A5 > RI > SE > AF > AL > MX），富集分析結(jié)果顯示Payzawat在病原菌侵染后的158個差異AS事件與碳水化合物代謝相關(guān)，而PI511890在病原菌侵染后的117個差異AS事件與RNA轉(zhuǎn)運相關(guān)。以上結(jié)果表明新基因與可變剪切事件均廣泛參與了甜瓜對蔓枯病病原菌的早期防御響應(yīng)，并在Payzawat和PI511890之間存在顯著差異。

 

　　隨后研究人員通過代謝組分析對所檢測到的910種代謝物進行了分類、差異鑒定及富集分析，其中黃酮類物質(zhì)占比最多，并且蔓枯病病原菌的侵染導致Payzawat和PI511890中類黃酮的種類和含量發(fā)生了顯著變化，而金圣草黃素及其衍生物在PI511890中大量積累。此外，有6種差異代謝物在抗感材料中表現(xiàn)出完全相反的積累模式，草酸在PI511890經(jīng)病原菌侵染后正積累而在Payzawat中負積累，PI511890中正積累的草酸來源于三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán)。研究人員通過全長轉(zhuǎn)錄組與代謝組的聯(lián)合分析，進一步發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控廣泛參與了甜瓜對蔓枯病的防御響應(yīng)，并推斷圣草酚和草酸為甜瓜抗蔓枯病的早期標志性代謝物。綜上，該研究揭示了甜瓜在轉(zhuǎn)錄與代謝水平上對蔓枯病的早期防御響應(yīng)，為闡明甜瓜對蔓枯病的抗性機制提供了重要見解和理論依據(jù)。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院孔秋生教授和新疆農(nóng)科院哈密瓜研究中心張永兵研究員為本文共同通訊作者，在讀碩士生汪海燕為第一作者。新疆農(nóng)科院哈密瓜研究中心張學軍研究員參與了本項研究。本研究得到湖北省重點研發(fā)項目，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費，新疆科技重大項目和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等課題資助。

 

　　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.