近日，中國熱科院生物所、熱帶作物生物育種全國重點實驗室甘蔗逆境生物學(xué)研究組團(tuán)隊在甘蔗抗黑穗病性狀形成機理的研究取得新進(jìn)展。研究利用時序基因共表達(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，可為解析植物對環(huán)境變化的動態(tài)響應(yīng)提供有價值的信息，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道。因此，利用時序基因共表達(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踐意義。

 

　　該研究利用兩個不同抗性的甘蔗品種感染黑穗病后六個時間點的時序轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了時序基因共表達(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）信號通路鑒定了兩個能夠負(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實驗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實驗、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研發(fā)計劃、熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研專項、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項、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實驗室開放課題等項目的資助。

 

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