甘蔗（Saccharum spp.）是世界上最重要的糖料作物，蔗糖占世界食糖产量的80%左右，在我国所占比例更是高达85%以上。由鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的甘蔗黑穗病是甘蔗产业中最为重要、传播最广的真菌病害，严重年份可造成高达20%~50%的产量损失，在极端情况下甚至会导致作物完全绝收，被称为“癌症”。其抗性由多个主效基因、众多微效基因的累积效应以及寄主、病原和环境三者之间的相互作用共同决定，这导致通过传统杂交途径育种培育抗黑穗病甘蔗品种的难度加大。近年来，时间序列转录组学（time-course transcriptomics）已成为研究基因调控网络的有效方法，可为解析植物对环境变化的动态响应提供有价值的信息，被广泛应用于大麦、棉花、杨树等植物。但是，迄今为止，尚未见该技术在甘蔗-黑穗病菌互作中的研究报道。因此，利用时序基因共表达网络（time-ordered gene co-expression network，TO-GCN）系统构建甘蔗抗黑穗病的关键代谢网络，挖掘关键抗病基因具有较为重要的理论和实践意义。
近日，热带作物生物育种全国重点实验室/中国热带农业科学院热带生物技术研究所阙友雄和吴期滨团队在农林科学领域权威期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry在线发表了题为“Transcriptional regulation of sugarcane response to Sporisorium scitamineum: Insights from time-course gene co-expression and Ca2+ signaling”的研究论文。本研究利用两个不同抗性的甘蔗品种感染黑穗病后六个时间点的时序转录组数据构建TO-GCN。然后，建立了碳代谢、植物激素信号转导、苯丙酮生物合成和植物病原体相互作用等代谢网络，并预测了每个子网络中转录因子（TFs）和非TFs之间的调控关系。此外，研究还从Ca2+信号通路鉴定了两个能够负调控植物抗病性的甘蔗ScCAX基因（ScCAX2和ScCAX3）。上述结果将有助于我们阐明甘蔗与黑穗病相互作用之间的分子调控网络，解析CAX基因在病害响应中的功能。
在该研究中，作者首先以两个不同抗性的甘蔗品种感染黑穗病后六个时间点的芽为材料，基于甘蔗-黑穗病互作的时序转录组数据，共鉴定出1,555,460个差异表达基因（DEGs）。然后，选择HOX4（HD-BZP）转录因子（Sspon.02 G0012640-1A）作为初始节点，并使用2,459个DEGs（163个TFs和2,308个非TFs）构建TO-GCN，将其划分为与黑穗病菌侵染时间历程相对应的10个级别（L1-L10）。进一步，将该网络划分为未接种（T0；0 dpi；对应于L1-L4）、接种早期（T1；接种病原菌1~3 dpi；对应于L5）和接种后期（T2；接种病原菌4~5 dpi；对应于L6-L10）。根据TO-GCN网络，未接种阶段（L1-L4）包含705个DEGs（33个TFs），接种早期阶段（L5）只有54个DEGs（13个TFs），后期接种（L6-L10）包含大部分的DEGs（1,700个，其中有117个TFs）。
进一步，根据构建的TO-GCN基因网络，在接种黑穗病菌后，早期，糖酵解、磷酸戊糖途径、丙酮酸代谢和脂肪酸代谢等中心碳代谢途径被激活。中期，植物激素信号转导途径被激活，参与该途径的大量抗病基因和转录因子也受病原胁迫诱导表达。后期，苯丙烷和类黄酮生物合成以及植物-病原互作信号途径的激活有助于提高甘蔗对黑穗病的抗性。
甘蔗响应黑穗病侵染的调控网络
有趣的是，该研究发现，在植物与病原体相互作用的过程中，Ca2+信号通路被激活。Ca2+/H+交换子基因（Ca2+/H+ exchanger，CAX）在维持细胞Ca2+稳定性方面起着重要作用，它是Ca2+/阳离子反转运体（Ca2+/cation antiporter，CaCA）基因超家族的成员。根据RNA-seq数据，我们观察到10个CAX基因会被黑穗病诱导表达。此外，顺式调控元件的研究结果表明，光响应、激素响应和和胁迫响应元件分布在这些基因的启动子序列。随后，从甘蔗栽培品种ROC22中成功克隆了两个甘蔗CAX基因，即ScCAX2（GenBank登录号：ON858476）和ScCAX3（GenBank号码：ON184321）。ScCAX2和ScCAX3均含有一个保守的CAX结构域，且都定位于细胞质和质膜。此外，ScCAX2和ScCAX3的过表达可通过调控SA和ET途径相关基因的表达，减弱植株对病原菌侵染的抗性。
最后，作者构建了甘蔗ScCAX2/3基因在病原菌胁迫反应中的调控模型。综上所述，本研究有助深入阐明甘蔗与黑穗病相互作用的分子调控网络，并更好地理解CAX基因在病害响应中的功能。
甘蔗ScCAX2/3基因在病原菌胁迫反应中的调控模型
中国热带农业科学院/热带生物技术研究所/热带作物生物育种全国重点实验吴期滨副研究员和中国热带农业科学院甘蔗研究中心客座研究人员张畅为该论文的共同第一作者；中国热带农业科学院/热带生物技术研究所/热带作物生物育种全国重点实验/福建农林大学阙友雄研究员为该论文的通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、热带作物生物育种全国重点实验室科研项目、中央引导地方科技发展专项、国家糖料产业技术体系、广西省和云南省甘蔗遗传育种重点实验室开放课题等项目的资助。
https://doi.org/10.1021/acs.jafc.4c02123