中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (1): 75-90.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.01.006
曹言勇1(), 程泽强1(
), 马娟1, 杨文博1, 朱卫红1, 孙新艳1, 李慧敏1, 夏来坤1,*(
), 段灿星2,*(
)
收稿日期:
2024-07-28
接受日期:
2024-09-24
出版日期:
2025-01-01
发布日期:
2025-01-07
通信作者:
联系方式:
曹言勇,E-mail:yanyongcao@126.com。程泽强,E-mail:zeqiangcheng@163.com。曹言勇和程泽强为同等贡献作者。
基金资助:
CAO YanYong1(), CHENG ZeQiang1(
), MA Juan1, YANG WenBo1, ZHU WeiHong1, SUN XinYan1, LI HuiMin1, XIA LaiKun1,*(
), DUAN CanXing2,*(
)
Received:
2024-07-28
Accepted:
2024-09-24
Published:
2025-01-01
Online:
2025-01-07
摘要:
【目的】玉米茎腐病严重威胁玉米的产量与品质,其致病菌复杂,层出镰孢(Fusarium proliferatum)近年来逐渐成为主要病原之一。本研究旨在通过多组学联合分析,深入探究玉米对层出镰孢茎腐病的响应机制,明确差异基因和差异代谢物富集的信号通路在玉米抗病过程中的关键作用,为玉米抗茎腐病育种和病害防控提供理论依据。【方法】选择对层出镰孢具有不同抗性的玉米自交系ZC17(抗病)和CH72(感病)作为研究材料。在玉米9叶期,对其进行接种处理,接种组注射层出镰孢菌液,模拟接种组注射等量的PDB,随后用凡士林封闭伤口。接种后7 d,采集接种区域上下茎段中间位置的组织样本,分别用于转录组测序和非靶向代谢组学检测。同时对接种后的植株进行茎腐病症状评估,计算茎腐病平均评分(SRSA)和病情指数(DSI)。利用多种生物信息学工具对转录组测序数据和代谢组学数据进行分析,并通过实时荧光定量PCR(RT-qPCR)对差异基因进行验证。【结果】表型和生理数据显示,接种层出镰孢后,CH72发病程度显著高于ZC17,其SRSA增加2.48倍,DSI增加35.36%。转录组和代谢组的PCA结果显示,各组内样本的重现性很高,ZC17和CH72相互分离,FP组和MK组相互分离。转录组分析表明,接种后CH72的差异表达基因数量多于ZC17,但二者近50%的差异基因表达趋势相同。功能注释和富集分析发现,差异基因和差异代谢物主要富集于植物次生代谢产物生物合成、苯丙氨酸代谢、植物激素生物合成及植物-病原体相互作用等途径。转录组和代谢组联合分析证实,苯丙氨酸代谢以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成在玉米抗层出镰孢过程中起关键作用。此外,多个转录因子家族(如MYB、bHLH、NAC和WRKY等)在接种层出镰孢后被显著激活,表明这些转录因子在玉米抗病分子调控网络中可能发挥重要作用。qPCR与转录组测序结果在4个组中的表达趋势一致,Spearman相关分析也显示转录组测序数据和qPCR结果之间高度一致(r=0.75,P=7.5e-05)。【结论】苯丙氨酸代谢相关途径在玉米响应层出镰孢茎腐病中至关重要;C4H、PAL、ADT、GOT等关键酶以及显著上调的代谢物如2-香豆酸、3-羟基肉桂酸、吲哚、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸在植物抗病中起重要作用。本研究挖掘出的潜在抗病相关转录因子、基因和代谢物可为深入解析玉米对层出镰孢茎腐病的分子响应机制提供重要依据。
曹言勇, 程泽强, 马娟, 杨文博, 朱卫红, 孙新艳, 李慧敏, 夏来坤, 段灿星. 整合转录组和代谢组学分析揭示玉米对层出镰孢茎腐病的响应机制[J]. 中国农业科学, 2025, 58(1): 75-90.
CAO YanYong, CHENG ZeQiang, MA Juan, YANG WenBo, ZHU WeiHong, SUN XinYan, LI HuiMin, XIA LaiKun, DUAN CanXing. Integrating Transcriptomic and Metabolomic Analyses Reveals Maize Responses to Stalk Rot Caused by Fusarium proliferatum[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(1): 75-90.
表1
用于RT-qPCR验证的基因及引物序列"
基因 Gene | 引物Primer | 序列 Sequence (5′ to 3′) |
---|---|---|
Zm00001d028815 | 8815-1F | GACGCCTACAACTAAACC |
8815-1R | ACAACACAAGGACAGCAC | |
Zm00001d028816 | 8816-1F | GATTTCTTCCTTGCCTTTT |
8816-1R | ACACACCCACACACATTTG | |
Zm00001d028313 | 8313-2F | AAAGGAGGAAGGAGACCA |
8313-2R | CCCGCCATAGAAGATTGT | |
Zm00001d014250 | 4250F | AAGTGTCGCTGCAGAGGTTC |
4250R | TCCTTTAAGGCCGTCGCTTG | |
Zm00001d022139 | 2139F | CCGACAAGGCAAAGGATCTG |
2139R | GGCTCTCAGGCTCCTTCTTG | |
Zm00001d043528 | 3528-1F | AGCTTGCCCCTTTCTCAAC |
3528-1R | ACCAGGAACACCGTCATTT | |
Zm00001d017121 | 7121F | CCAATGCTAGCTGCACAACC |
7121R | AACAGCCTTAGCAGCTCCAG | |
Zm00001d004366 | 4366F | ACTCATTCCGCGACATCGAA |
4366R | GCGGTCATCGTCAAGGTACA | |
Zm00001d043144 | 3144F | ACGACGAGTTCGTCAAGGTC |
3144R | TGCACCAGCATGTACTGGAC | |
Zm00001d021168 | 1168F | CCAGGTTTCCACCGTGCTTC |
1168R | AGGACACGTACAGGACGGAC | |
Zm00001d009028 | 9028F | TTGAACTGCGCCGCCTTG |
9028R | AGGAAACCCACAGACTTGGC | |
GAPDH | GAPDH1F | CCATCACTGCCACACAGAAAAC |
GAPDH1R | AGGAACACGGAAGGACATACCAG |
表2
转录组测序数据总览"
样品 Sample | 原始序列数 Raw reads | 原始碱基数 Raw bases | 有效序列数 Valid reads | 有效碱基数 Valid bases | 有效比率 Valid ratio (%) | Q20 (%) | Q30 (%) | 基因组比对序列数Mapped reads |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
ZC17_MK1 | 48487174 | 7.27G | 46461886 | 6.97G | 95.82 | 99.94 | 97.59 | 41846591 (90.07%) |
ZC17_MK2 | 38471678 | 5.77G | 37250738 | 5.59G | 96.83 | 99.95 | 98.99 | 33782858 (90.69%) |
ZC17_MK3 | 42311182 | 6.35G | 40990978 | 6.15G | 96.88 | 99.95 | 98.79 | 37004587 (90.27%) |
ZC17_FP1 | 44341730 | 6.65G | 43314250 | 6.50G | 97.68 | 99.95 | 98.69 | 39449341 (91.08%) |
ZC17_FP2 | 44878826 | 6.73G | 43756214 | 6.56G | 97.50 | 99.95 | 98.70 | 39796076 (90.95%) |
ZC17_FP3 | 44490646 | 6.67G | 43362776 | 6.50G | 97.46 | 99.95 | 98.99 | 39559652 (91.23%) |
CH72_MK1 | 48737466 | 7.31G | 47558210 | 7.13G | 97.58 | 99.95 | 98.37 | 42325490 (89.00%) |
CH72_MK2 | 39150064 | 5.87G | 38093258 | 5.71G | 97.30 | 99.96 | 99.02 | 34198799 (89.78%) |
CH72_MK3 | 45219372 | 6.78G | 44260068 | 6.64G | 97.88 | 99.95 | 98.68 | 39511099 (89.27%) |
CH72_FP1 | 47658538 | 7.15G | 46484104 | 6.97G | 97.54 | 99.96 | 98.56 | 41481231 (89.24%) |
CH72_FP2 | 43802340 | 6.57G | 42961890 | 6.44G | 98.08 | 99.96 | 99.17 | 38760342 (90.22%) |
CH72_FP3 | 41930108 | 6.29G | 40712488 | 6.11G | 97.10 | 99.96 | 99.13 | 34565595 (84.90%) |
表3
不同比较组中上调和下调差异最大的前10种代谢物"
比较组 Comparison | 代谢物 Metabolite | Log2FC |
---|---|---|
CH72 (FP/MK) | 蜀葵苷Scorzoside | 9.201 |
N-(p-羟苯基)乙基对羟基肉桂酰胺N-(p-Hydroxyphenyl)ethyl p-hydroxycinnamide | 7.304 | |
伏马菌素B1 Fumonisin B1 | 6.862 | |
对香豆酸乙酯Ethyl p-coumarate | 6.373 | |
L-苯丙氨酸L-Phenylalanine | 5.878 | |
肉桂酸Cinnamic acid | 5.759 | |
苯丙氨酸Phenylalanine | 5.666 | |
N-(1-脱氧-1-果糖基)酪氨酸N-(1-Deoxy-1-fructosyl)tyrosine | 5.439 | |
吲哚-3-乙酰胺Indole-3-acetamide | 5.205 | |
溶血磷脂酰肌醇15:0 LysoPI 15:0 | 4.876 | |
1-硬脂酰-2-羟基-sn-甘油-3-磷酸胆碱1-Stearoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphocholine | -4.631 | |
氧化型谷胱甘肽Glutathione, oxidized | -3.808 | |
L-谷胱甘肽(氧化型)L-Glutathione (oxidized form) | -3.355 | |
2-(2-噻吩基)呋喃2-(2-Thienyl)furan | -3.311 | |
翠雀素-3-O-(6''-O-α-鼠李吡喃糖基-β-葡萄糖苷) Delphinidin-3-O-(6''-O-alpha-rhamnopyranosyl-beta-glucopyranoside) | -2.606 | |
溶血磷脂酰甘油16:0 LysoPG 16:0 | -2.547 | |
溶血磷脂酰胆碱18:1 LysoPC 18:1 | -2.251 | |
谷氨酰胺-亮氨酸Gln-Leu | -2.060 | |
缬氨酸-苯丙氨酸Val-Phe | -2.011 | |
酪氨酸-亮氨酸Tyr-Leu | -1.965 | |
ZC17 (FP/MK) | 阿洛糖Allose | 6.719 |
乙酸Acetic acid | 6.535 | |
广木香内酯Costunolide | 5.894 | |
D-1,5-脱水果糖D-1,5-Anhydrofructose | 5.306 | |
5-吡哆醇内酯5-Pyridoxolactone | 5.276 | |
伏马菌素B1 Fumonisin B1 | 5.182 | |
甘油1-十六酸酯Glycerol 1-hexadecanoate | 4.816 | |
溶血磷脂酰肌醇15:0 LysoPI 15:0 | 4.631 | |
棕矢车菊素Jaceidin | 4.175 | |
松油酸乙酯Pinolenic acid ethyl ester | 4.070 | |
溶血磷脂酰乙醇胺18:3 LysoPE 18:3 | -2.731 | |
2,4-二羟基苯甲酸2,4-Dihydroxybenzoic acid | -2.772 | |
缬氨酸-亮氨酸Val-Leu | -2.899 | |
前列腺素A1 Prostaglandin A1 | -3.159 | |
9-氢过氧基-10E,12Z,15Z-十八碳三烯酸9-Hydroperoxy-10E,12Z,15Z-octadecatrienoic acid | -3.160 | |
穆坪马兜铃酰胺Moupinamide | -3.722 | |
(9S,10E,12S,13S)- 9,12,13-三羟基-10-十八碳烯酸(9S,10E,12S,13S)-9,12,13-Trihydroxy-10-octadecenoic acid | -3.923 | |
溶血磷脂酰胆碱18:3 LysoPC 18:3 | -3.984 | |
(9ξ,10ξ,12ξ)- 9,10-二羟基-12-十八碳烯酸(9xi,10xi,12xi)-9,10-Dihydroxy-12-octadecenoic acid | -4.171 | |
去甲异波尔定Norisoboldine | -4.280 |
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