





中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (6): 1086-1101.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.06.006
渠清1,2(
), 刘宁2,3, 邹金鹏2,3, 张雅璇3, 贾慧3, 孙蔓莉2,3, 曹志艳2,3(
), 董金皋2,3(
)
收稿日期:2022-10-27
接受日期:2022-11-23
出版日期:2023-03-16
发布日期:2023-03-23
联系方式:
渠清,E-mail:qu_qing@126.com。
基金资助:
QU Qing1,2(
), LIU Ning2,3, ZOU JinPeng2,3, ZHANG YaXuan3, JIA Hui3, SUN ManLi2,3, CAO ZhiYan2,3(
), DONG JinGao2,3(
)
Received:2022-10-27
Accepted:2022-11-23
Published:2023-03-16
Online:2023-03-23
摘要:
【目的】拟轮枝镰孢(Fusarium verticillioides)引起的玉米穗腐病是我国玉米产区发生严重的病害之一,论文旨在了解病原菌与玉米籽粒互作过程中的基因表达差异,为揭示病原菌的致病机制和玉米抗病机制提供依据。【方法】对拟轮枝镰孢侵染玉米籽粒0、4、12和72 h的样品进行转录组测序,之后采用生物信息学分析,分别以玉米和拟轮枝镰孢基因组为参考,以|log2FC|≥1,P-adjust<0.05为阈值筛选互作过程中玉米和拟轮枝镰孢的差异表达基因,利用GO和KEGG对其进行功能注释及富集分析。Goatools软件分析植物-病原互作、MAPK途径和植物激素信号转导通路相关差异基因的表达变化,采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)方法对测序差异基因进行验证。【结果】在互作4、12和72 h后拟轮枝镰孢分别有140、400和1 945个基因上调表达,有9、302和1 784个基因下调表达;玉米分别有293、692 和1 426个基因上调表达,320、482和153个基因下调表达。GO和KEGG富集分析显示,侵染早期拟轮枝镰孢在细胞间隙生长,差异基因主要富集在RNA生物合成、细胞壁结构成分、脂肪酸生物合成、蛋白质代谢、碳水化合物代谢、生物过程和代谢过程等通路中。拟轮枝镰孢早期侵染触发了玉米活性氧(ROS)爆发,差异基因主要富集在对活性氧、过氧化氢的反应,几丁质酶、单加氧酶活性,木质素代谢过程等相关通路中。侵染后期拟轮枝镰孢继续在籽粒中定殖及扩展,差异基因主要富集在碳水化合物和细胞壁多糖分解代谢过程、跨膜转运、氧化还原酶活性等功能通路中。玉米主要通过苯丙素、木质素、类黄酮生物合成,MAPK 信号通路、植物-病原互作和植物激素信号转导等途径差异基因大量表达响应病原菌侵染。随机选取6个玉米和6个拟轮枝镰孢的差异表达基因进行qRT-PCR分析,基因表达规律与转录组测序结果一致,证实了RNA-seq的准确性。【结论】在病原菌侵染早期,拟轮枝镰孢在细胞间隙生长,触发玉米活性氧爆发,相关通路差异基因表达;侵染中后期,病原菌以淀粉为营养素,继续在籽粒中定殖及扩展,玉米通过苯丙素、木质素及几丁质酶的生物合成等方面的相关基因表达响应拟轮枝镰孢侵染,同时植物-病原互作、MAPK途径和激素信号转导等途径参与抗拟轮枝镰孢侵染。
渠清, 刘宁, 邹金鹏, 张雅璇, 贾慧, 孙蔓莉, 曹志艳, 董金皋. 拟轮枝镰孢与玉米籽粒互作的差异基因筛选及代谢通路分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1086-1101.
QU Qing, LIU Ning, ZOU JinPeng, ZHANG YaXuan, JIA Hui, SUN ManLi, CAO ZhiYan, DONG JinGao. Screening of Differential Genes and Analysis of Metabolic Pathways in the Interaction Between Fusarium verticillioides and Maize Kernels[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(6): 1086-1101.
表1
本研究所用实时荧光定量 PCR引物信息"
| 引物名称 Primer name | 引物序列 Primer sequence (5′- 3′) |
|---|---|
| Zm00001d026018-F | AGTTTTCACCGATGTTGTTGG |
| Zm00001d 026018-R | TTCCTTGTTGTGTTTCTGCCC |
| Zm00001d 002540-F | TGCGGGGTTGAAGGAAATGT |
| Zm00001d 002540-R | TGCGGGGTTGAAGGAAATGT |
| Zm00001d 043025-F | ATGAAAAGGCTGCCACGAGA |
| Zm00001d 043025-R | GCTCCAGTATCTTCCCCTC |
| Zm00001d 022017-F | TGACCTCTGTACGCCTCTT |
| Zm00001d 022017-R | GGCTCTCCATTTCCTCTTTGTC |
| Zm00001d 043350-F | GCGGTTCTTGAAGTGGTTGCTC |
| Zm00001d 043350-R | CGAGGACAAGACCAGGAACT |
| Zm00001d 014250-F | GATGGGGTGGGAGGAGATGA |
| Zm00001d 014250-R | CCAGAAGAGGAAGGAGAGGAT |
| UBQ9-F | TACAGTTCTACAAGGTGGACGAC |
| UBQ9-R | GCAGTAGTGGCGGTCGAAGT |
| FVEG_06768-F | GTTATTTCCGCCGCCCTTTCA |
| FVEG_06768-R | GCCACCACCAGCCATACTCGT |
| FVEG_06181-F | GAGTCGCACAAAGAACAAGGA |
| FVEG_06181-R | TACAGAAGGATAGGGAAAGCA |
| FVEG_04041-F | CTTCACTCCCGACGACCCCAA |
| FVEG_04041-R | TATGCCCACATCAGAAACCAG |
| FVEG_06896-F | CTGACGCTTCTACTCCTCTCG |
| FVEG_06896-R | GGGTCTCAATGCCCTCAACTC |
| FVEG_07280-F | CCTGTTCTGATTGGTGGTAAG |
| FVEG_07280-R | CCATCGTTTTTGAGTGGTTCC |
| FVEG_09248-F | CTCAGCGGAACCACCACCCCT |
| FVEG_09248-R | ACCTCGGACAGCAACAGCACG |
| Actin-F | TGCTCCTGAGGCTCTCTTCCA |
| Actin-R | AAGCAAGAATAGAACCACCGA |
表2
转录组测序数据统计"
| 文库 Library | 原始测序数据的 总条目数 Raw reads | 质控后测序数据的 总条目数 Clean reads | 比对到玉米基因组的 百分比 Total mapped rate (maize) (%) | 比对到拟轮枝镰孢 基因组的百分比 Total mapped rate (Fv) (%) | 准确率在99.9%以上的 碱基所占百分比 Q30 (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Mock_1 | 51587734 | 51110882 | 94.63 | - | 95.41 |
| Mock_2 | 50799662 | 50311356 | 95.17 | - | 95.44 |
| Mock_3 | 44878654 | 44387490 | 94.91 | - | 95.12 |
| Fv_1 | 46302536 | 45922668 | - | 95.19 | 95.29 |
| Fv_2 | 50383740 | 49966126 | - | 95.28 | 95.45 |
| Fv_3 | 41064824 | 40694544 | - | 95.28 | 95.42 |
| Fv4_1 | 102436676 | 101474514 | 95.21 | 0.05 | 95.06 |
| Fv4_2 | 96101768 | 95247160 | 95.13 | 0.05 | 95.26 |
| Fv4_3 | 84949414 | 83492592 | 94.76 | 0.04 | 93.59 |
| Fv12_1 | 103162526 | 102019788 | 95.00 | 0.07 | 95.27 |
| Fv12_2 | 107524620 | 106427588 | 95.46 | 0.05 | 95.37 |
| Fv12_3 | 107586942 | 106395294 | 95.25 | 0.06 | 95.20 |
| Fv72_1 | 108575700 | 107478816 | 93.31 | 2.27 | 95.27 |
| Fv72_2 | 104267510 | 103103634 | 91.63 | 2.27 | 95.43 |
| Fv72_3 | 82027324 | 81228748 | 92.25 | 3.21 | 95.30 |
| -:未比对 Not blast | |||||
图1
拟轮枝镰孢中样本间基因表达和差异表达基因的维恩图 A:样本间基因表达的维恩图Venn of gene expression among samples;B:接种4、12和72 h拟轮枝镰孢中差异基因的维恩图Venn of DEGs in F. verticillioides after inoculation at 4, 12 and 72 h;C:接种4、12和72 h后拟轮枝镰孢中上调表达差异基因的维恩图Venn of up-regulated DEGs in F. verticillioides after inoculation at 4, 12 and 72 h;D:接种4、12 和72 h后拟轮枝镰孢中下调表达差异基因的维恩图Venn of down-regulated DEGs in F. verticillioides after inoculation at 4, 12 and 72 h"
图2
玉米中样本间基因表达和差异表达基因的维恩图 A:样本间基因表达的维恩图Venn of gene expression among samples;B:接种4、12和72 h玉米中差异基因的维恩图Venn of DEGs in maize after inoculation with F. verticillioides at 4, 12 and 72 h;C:接种4、12和72 h后玉米中上调表达差异基因的维恩图Venn of up-regulated DEGs in maize after inoculation with F. verticillioides at 4, 12 and 72 h;D:接种4、12和72 h后玉米中下调表达差异基因的维恩图Venn of down-regulated DEGs in maize after inoculation with F. verticillioides at 4, 12 and 72 h"
表3
拟轮枝镰孢侵染玉米不同时间点差异表达基因的 GO富集分析"
| 侵染时间Infection time | GO ID | GO功能描述 GO description | 功能类别 Term type | 基因数量 Gene number | P value |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 h | GO:0032774 | RNA生物合成过程RNA biosynthetic process | BP | 9 | 0.042121302 |
| GO:0034248 | 细胞酰胺代谢过程的调控Regulation of cellular amide metabolic process | BP | 2 | 0.017806275 | |
| GO:0006417 | 调控翻译Regulation of translation | BP | 2 | 0.016413092 | |
| GO:0005198 | 结构分子活性Structural molecule activity | MF | 5 | 0.023663705 | |
| GO:0004553 | 水解酶活性,水解 O-糖基化合物 Hydrolase activity, hydrolyzing O-glycosyl compounds | MF | 6 | 0.030782616 | |
| GO:0016798 | 水解酶活性,作用于糖基键Hydrolase activity, acting on glycosyl bonds | MF | 6 | 0.042898824 | |
| GO:0005618 | 细胞壁Cell wall | CC | 4 | 1.60E-06 | |
| GO:0009277 | 真菌类型的细胞壁Fungal-type cell wall | CC | 3 | 1.20E-05 | |
| GO:0000786 | 核小体Nucleosome | CC | 2 | 0.003814409 | |
| 12 h | GO:0043043 | 肽生物合成过程Peptide biosynthetic process | BP | 75 | 4.61E-07 |
| GO:0006518 | 肽代谢过程Peptide metabolic process | BP | 75 | 5.47E-07 | |
| GO:0019538 | 蛋白质代谢过程Protein metabolic process | BP | 105 | 2.42E-06 | |
| GO:0005975 | 碳水化合物代谢过程Carbohydrate metabolic process | BP | 44 | 2.92E-06 | |
| GO:0044238 | 初级代谢过程Primary metabolic process | BP | 205 | 4.42E-06 | |
| GO:0008150 | 生物过程Biological process | BP | 359 | 4.94E-06 | |
| GO:0008152 | 代谢过程Metabolic process | BP | 263 | 5.73E-06 | |
| GO:0005198 | 结构分子活性Structural molecule activity | MF | 77 | 7.92E-07 | |
| GO:0003735 | 核糖体的结构成分Structural constituent of ribosome | MF | 71 | 9.56E-07 | |
| GO:0016798 | 水解酶活性Hydrolase activity | MF | 27 | 0.002644 | |
| GO:0003723 | RNA结合RNA binding | MF | 35 | 0.000165 | |
| GO:0032991 | 蛋白质复合物Protein-containing complex | CC | 108 | 0.000515 | |
| GO:0044464 | 细胞部分Cell part | CC | 183 | 5.33E-05 | |
| 72 h | GO:0005975 | 碳水化合物代谢过程Carbohydrate metabolic process | BP | 177 | 2.74E-10 |
| GO:0044347 | 细胞壁多糖分解代谢过程Cell wall polysaccharide catabolic process | BP | 13 | 0.000117 | |
| GO:0055085 | 跨膜运输Transmembrane transport | BP | 366 | 4.16E-10 | |
| GO:0003824 | 催化活性Catalytic activity | MF | 1430 | 4.38E-05 | |
| GO:0022857 | 跨膜转运蛋白活性Transmembrane transporter activity | MF | 239 | 2.10E-08 | |
| GO:0016491 | 氧化还原酶活性Oxidoreductase activity | MF | 466 | 5.60E-08 | |
| GO:0005215 | 转运蛋白活性Transporter activity | MF | 243 | 7.30E-08 | |
| GO:0016021 | 膜的组成部分Integral component of membrane | CC | 1080 | 1.25E-07 | |
| GO:0044425 | 膜部分Membrane part | CC | 1090 | 4.33E-08 |
表4
玉米响应拟轮枝镰孢侵染不同时间点差异表达基因的GO富集分类"
| 侵染时间 Infection time | GO ID | GO功能描述 GO description | 功能类别 Term type | 基因数量 Gene number | P value |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 h | GO:0042542 | 对过氧化氢的反应Response to hydrogen peroxide | BP | 15 | 3.90E-11 |
| GO:0000302 | 对活性氧的反应Response to reactive oxygen species | BP | 16 | 5.02E-11 | |
| GO:0009628 | 对非生物刺激的反应Response to abiotic stimulus | BP | 52 | 5.25E-11 | |
| GO:0004497 | 单加氧酶活性Monooxygenase activity | MF | 25 | 3.31E-08 | |
| GO:0016491 | 氧化还原酶活性Oxidoreductase activity | MF | 73 | 1.69E-06 | |
| GO:0004568 | 几丁质酶活性Chitinase activity | MF | 6 | 5.52E-05 | |
| GO:0022857 | 跨膜转运蛋白活性Transmembrane transporter activity | MF | 48 | 0.00040527 | |
| 12 h | GO:0042542 | 对过氧化氢的反应Response to hydrogen peroxide | BP | 15 | 5.02E-07 |
| GO:0009628 | 对非生物刺激的反应Response to abiotic stimulus | BP | 85 | 2.20E-06 | |
| GO:0009808 | 木质素代谢过程Lignin metabolic process | BP | 6 | 0.005347 | |
| GO:0004568 | 几丁质酶活性Chitinase activity | MF | 13 | 0.002782 | |
| 72 h | GO:0009699 | 苯丙素生物合成过程Phenylpropanoid biosynthetic process | BP | 20 | 2.29E-07 |
| GO:0009809 | 木质素生物合成过程Lignin biosynthetic process | BP | 13 | 2.60E-07 | |
| GO:0009620 | 对真菌的反应Response to fungus | BP | 22 | 3.56E-07 | |
| GO:0072593 | 活性氧代谢过程Reactive oxygen species metabolic process | BP | 29 | 6.85E-07 | |
| GO:0009694 | 茉莉酸代谢过程Jasmonic acid metabolic process | BP | 9 | 1.55E-05 | |
| GO:0009696 | 水杨酸代谢过程Salicylic acid metabolic process | BP | 5 | 5.05E-05 | |
| GO:0008610 | 脂质生物合成过程Lipid biosynthetic process | BP | 54 | 0.000134 | |
| GO:0004568 | 几丁质酶活性Chitinase activity | MF | 11 | 1.46E-06 | |
| GO:0045548 | 苯丙氨酸解氨酶活性Phenylalanine ammonia-lyase activity | MF | 7 | 3.87E-06 | |
| GO:0004601 | 过氧化物酶活性Peroxidase activity | MF | 27 | 1.50E-05 |
| [1] |
doi: 10.3390/toxins8060186 |
| [2] |
doi: 10.1128/AEM.68.5.2101-2105.2002 |
| [3] |
pmid: 16761187 |
| [4] |
doi: 10.1080/02652030601013471 |
| [5] |
doi: 10.1007/BF03192165 pmid: 23605649 |
| [6] |
doi: 10.1016/j.tim.2021.03.019 |
| [7] |
doi: 10.1094/MPMI.2000.13.2.159 |
| [8] |
doi: 10.1016/j.ab.2004.11.004 |
| [9] |
doi: 10.1006/jcrs.2000.0305 |
| [10] |
doi: 10.1023/A:1020847216155 |
| [11] |
doi: 10.1038/nature05286 |
| [12] |
doi: 10.1111/j.1399-3054.2008.01090.x |
| [13] |
doi: 10.1104/pp.106.078717 |
| [14] |
doi: 10.1007/s11103-008-9435-0 pmid: 19083153 |
| [15] |
doi: 10.1016/j.cub.2008.03.060 pmid: 18450451 |
| [16] |
|
| [17] |
doi: 10.1111/mpp.v21.5 |
| [18] |
刘俊. 拟轮枝镰孢和层出镰孢侵染玉米果穗的途径及镰孢菌病害防治[D]. 保定: 河北农业大学, 2017.
|
|
|
|
| [19] |
|
| [20] |
doi: 10.1186/1471-2164-15-710 |
| [21] |
doi: 10.1111/mpp.2015.16.issue-7 |
| [22] |
唐科志, 周常勇. 红橘响应褐斑病菌侵染的转录组学分析. 中国农业科学, 2020, 53(22): 4584-4600.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.22.006 |
|
|
|
| [23] |
滕彩玲, 钟晰, 吴昊娣, 胡燕, 周常勇, 王雪峰. 马蜂柑响应黄龙病菌不同侵染时期的生物学和转录组学分析. 中国农业科学, 2020, 53(7): 1368-1380.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.07.007 |
|
|
|
| [24] |
史毅, 牛奎举, 马晖玲. 匍匐翦股颖接种立枯丝核菌后基因表达变化的转录组学分析. 中国农业科学, 2017, 50(17): 3323-3336.
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2017.17.007 |
|
doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2017.17.007 |
|
| [25] |
doi: 10.1128/AEM.65.8.3668-3673.1999 |
| [26] |
doi: 10.1099/mic.0.27880-0 |
| [27] |
晏石娟, 黄文洁, 刘春明. 脂肪酸及其氧合物对曲霉属真菌菌丝生长、产孢和黄曲霉毒素合成的影响. 微生物学报, 2017, 57(1): 24-32.
|
|
|
|
| [28] |
doi: 10.1016/j.molp.2014.12.022 pmid: 25744358 |
| [29] |
doi: S1360-1385(16)30112-1 pmid: 27666517 |
| [30] |
doi: 10.1016/j.pbi.2010.04.006 pmid: 20471306 |
| [31] |
doi: 10.1038/s41467-019-08726-9 |
| [32] |
doi: 10.1111/jipb.v63.1 |
| [33] |
doi: 10.3389/fpls.2017.01774 |
| [34] |
doi: 10.1111/mpp.2019.20.issue-3 |
| [35] |
doi: 10.1146/annurev-phyto-082712-102314 pmid: 23663002 |
| [36] |
|
| [37] |
doi: 10.3389/fpls.2020.00277 |
| [38] |
doi: 10.1111/tpj.2006.48.issue-4 |
| [39] |
doi: 10.1104/pp.111.192641 |
| [1] | 鲁雪莉, Syeda Wajeeha Gillani, 孟晨, 李晓彬, 宋奕汝, 柏雨, 王菊英, 冯晓菲, 刘晨晨, 李义强, 徐宗昌. 不同类型盐胁迫对狼尾草种子萌发的影响及钠调控转录组研究[J]. 中国农业科学, 2026, 59(7): 1400-1419. |
| [2] | 崔士友, 陈澎军, 缪源卿, 韩继军, 沈俊明. EMS诱变抗草甘膦小麦新种质的创制与大田评价[J]. 中国农业科学, 2026, 59(4): 723-733. |
| [3] | 廖婷璐, 石亚飞, 肖东浩, 舍杨梦斐, 郭富城, 杨九菊, 唐海江, 罗成科. 外源硝普钠对碱胁迫下水稻幼苗糖代谢的影响[J]. 中国农业科学, 2026, 59(2): 265-277. |
| [4] | 王忠妮, 雷月, 李佳丽, 宫彦龙, 朱速松. ABC转运蛋白OsARG1调控水稻抽穗期的功能[J]. 中国农业科学, 2026, 59(1): 1-16. |
| [5] | 王思琪, 邹利人, 白瑞雯, 闫可, 王思洋, 齐晓光, 申海林, 温景辉. 赤霉素调控‘蜜汁’葡萄穗轴硬化关键基因的挖掘[J]. 中国农业科学, 2026, 59(1): 179-189. |
| [6] | 张义茹, 韩雪, 姚鑫杰, 冯军, 魏爱丽, 李文超, 张彬, 韩渊怀, 李红英. 基于多组学解析谷子后熟米色变化的分子机制[J]. 中国农业科学, 2025, 58(9): 1702-1718. |
| [7] | 邹晓威, 夏蕾, 朱晓敏, 孙辉, 周琦, 齐霁, 张亚封, 郑岩, 姜兆远. 基于转录组测序的玉米瘤黑粉菌UM01240过表达菌株诱导玉米抗病性分析[J]. 中国农业科学, 2025, 58(6): 1116-1130. |
| [8] | 孙萍, 朱文灿, 林贤锐, 吴嘉颀, 曹译文, 陈辰斐, 王轶, 朱建锡, 贾惠娟, 钱敏杰, 沈建生. 基于代谢组和转录组解析多雨寡照对桃果皮着色和类黄酮积累的影响[J]. 中国农业科学, 2025, 58(6): 1173-1194. |
| [9] | 谢露露, 李福, 张思远, 高建昌. 基于跨物种转录组解析影响不定根发生的保守基因[J]. 中国农业科学, 2025, 58(6): 1195-1209. |
| [10] | 高岩浩, 王婷婷, 白卫卫, 杜兴杰, 刘贤, 秦本源, 付彤, 孙宇, 高腾云, 张天留. 脂质组与转录组联合揭示南阳牛不同肌肉组织脂质特征的差异表达模式[J]. 中国农业科学, 2025, 58(6): 1239-1258. |
| [11] | 张天雨, 李白, 藏金萍, 曹宏哲, 董金皋, 邢继红, 张康. 灰葡萄孢HMG家族基因的全基因组鉴定与表达规律分析[J]. 中国农业科学, 2025, 58(4): 704-718. |
| [12] | 张向昆, 李佳莹, 乔如梦, 何静蕾, 王莉, 师校欣, 杜国强. 不同锌水平下GFabV对‘阳光玫瑰’葡萄光合效率及光合相关基因表达的影响[J]. 中国农业科学, 2025, 58(24): 5190-5200. |
| [13] | 丁宁, 齐恩芳, 贾小霞, 黄伟, 马丽荣, 李建武, 燕汝楠. 马铃薯幼苗应答高温胁迫的miRNA筛选与鉴定[J]. 中国农业科学, 2025, 58(22): 4589-4602. |
| [14] | 王凡, 刘陈玮, 陆红臣, 徐仁超, 卞晓春. 蚕豆响应交链格孢侵染的转录组分析及VfPR4的抗病功能验证[J]. 中国农业科学, 2025, 58(22): 4656-4672. |
| [15] | 穆赢通, 路景诗, 张雨桐, 石凤翎. 基于转录组和WGCNA的直立型花苜蓿抗旱关键基因识别[J]. 中国农业科学, 2025, 58(21): 4528-4543. |
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