近日，中國熱科院生物所、熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室甘蔗逆境生物學(xué)研究組團(tuán)隊(duì)在甘蔗抗黑穗病性狀形成機(jī)理的研究取得新進(jìn)展。研究利用時(shí)序基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)（time-ordered gene co-expression network，TO-GCN）技術(shù)系統(tǒng)解析了甘蔗與黑穗病菌互作的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并鑒定了兩個(gè)能夠負(fù)調(diào)控植物抗病性的甘蔗ScCAX基因（鈣離子/氫離子交換子基因）。

 

　　甘蔗（Saccharum spp.）是世界上最重要的糖料作物，蔗糖占世界食糖產(chǎn)量的80%左右，在我國所占比例更是高達(dá)85%以上。由鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的甘蔗黑穗病是甘蔗產(chǎn)業(yè)中最為重要、傳播最廣的真菌病害，嚴(yán)重年份可造成高達(dá)20%~50%的產(chǎn)量損失，在極端情況下甚至?xí)?dǎo)致作物完全絕收，被稱為“癌癥”。其抗性由多個(gè)主效基因、眾多微效基因的累積效應(yīng)以及寄主、病原和環(huán)境三者之間的相互作用共同決定，這導(dǎo)致通過傳統(tǒng)雜交途徑育種培育抗黑穗病甘蔗品種的難度加大。近年來，時(shí)間序列轉(zhuǎn)錄組學(xué)已成為研究基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的有效方法，可為解析植物對(duì)環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供有價(jià)值的信息，被廣泛應(yīng)用于大麥、棉花、楊樹等植物。但是，迄今為止，尚未見該技術(shù)在甘蔗-黑穗病菌互作中的研究報(bào)道。因此，利用時(shí)序基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TO-GCN）構(gòu)建甘蔗抗黑穗病的關(guān)鍵代謝網(wǎng)絡(luò)，挖掘關(guān)鍵抗病基因具有較為重要的理論和實(shí)踐意義。

 

　　該研究利用兩個(gè)不同抗性的甘蔗品種感染黑穗病后六個(gè)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)序轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了時(shí)序基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。然后，建立了碳代謝、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、苯丙酮生物合成和植物病原體相互作用等代謝網(wǎng)絡(luò)，并預(yù)測了每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)錄因子（TFs）和非TFs之間的調(diào)控關(guān)系。此外，研究還從Ca2+（鈣離子）信號(hào)通路鑒定了兩個(gè)能夠負(fù)調(diào)控植物抗病性的甘蔗ScCAX基因（鈣離子/氫離子交換子基因）（ScCAX2和ScCAX3）。最后，預(yù)測了甘蔗ScCAX2/3基因在病原菌脅迫反應(yīng)中的調(diào)控模型。研究將有助于進(jìn)一步解析甘蔗抗黑穗病性狀形成的機(jī)理。

 

　　該研究成果以《Transcriptional regulation of sugarcane response to Sporisorium scitamineum: Insights from time-course gene co-expression and Ca2+ signaling》為題發(fā)表于《Journal of Agricultural and Food Chemistry》。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)吳期濱副研究員和中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心客座研究人員張暢為該論文的共同第一作者；中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所、熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、福建農(nóng)林大學(xué)闕友雄研究員為該論文的通訊作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研專項(xiàng)、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)、國家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、廣西省和云南省甘蔗遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等項(xiàng)目的資助。

 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.4c02123