J Exp Bot |安徽农业大学通过多组学分析解析玉米抗蚜虫的分子机理

玉米叶蚜是一种破坏性农业害虫,主要以玉米的汁液为食,使其叶片失水发黄,植株倒伏、枯死;同时,蚜虫能分泌大量蜜露污染植株,影响光合作用,并传播病毒,造成大幅度减产。因此,从天然玉米遗传资源中筛选抗蚜虫基因,解析其抗蚜机理对玉米抗虫育种具有非常重要的现实意义。但目前对于蚜虫抗性的分子机制知之甚少,其基因组和代谢组的研究尚未明确。

2023年5月25日,安徽农业大学李培金教授课题组Journal of Experimental Botany (IF=7.298)上发表了题为“Combining quantitative trait locus mapping with multiomics profiling reveals genetic control of corn leaf aphid (Rhopalosiphum maidis) resistance in maize”的研究文章。研究人员利用转录组学和代谢组学研究方法分析发现,激素信号途径、苯并噁嗪类合成基因的上调表达,与Abe2的蚜虫抗性相关,类黄酮的生物合成途径在玉米抗蚜过程中发挥重要作用。该研究构建了玉米抗蚜基因调控网络,为分子育种工作提供了重要基因资源和理论依据。该研究成果中拜谱生物为其提供非靶向代谢组与转录组的检测与分析,鉴定出玉米中的抗蚜基因并拓展对玉米蚜虫抗性的分子机制的认识。

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文章名称:Combining quantitative trait locus mapping with multiomics profiling reveals genetic control of corn leaf aphid (Rhopalosiphum maidis) resistance in maize(J Exp Bot.,IF=7.298,2023.05)

客户单位:安徽农业大学

研究材料:玉米植物叶片

分组信息:蚜虫易感品系B73和抗性品系Abe2

拜谱提供技术:非靶向代谢组与转录组




研究结果

为研究蚜虫侵染对玉米基因表达的影响,研究人员利用转录组学探究DEGs的生物学功能,对DEGs数据做KEGG富集分析,发现植物激素信号传导是差异表达基因最丰富的途径之一,茉莉酸、水杨酸和乙烯是防御蚜虫的重要信号分子。在茉莉酸途径中,有12个基因在蚜虫侵染后差异表达。两种基因型的LOX (Zm00001d003533)表达均较低,而LOX11 (Zm00001d015852)在Abe2中被诱导,但在B73中相对不变(图1A)。在乙烯途径中有6个基因在蚜虫侵染后差异表达。ACO2 (Zm00001d024853)在蚜虫侵染后除24 hpi外均下调,ACO15a (Zm00001d024843)仅在抗性品系Abe2中显著诱导(图1B)。在水杨酸途径中,有3个基因在蚜虫侵染后差异表达。编码甲基酯酶3的基因(Zm00001d009398)仅在Abe2中被诱导(图1C)。参与这些植物激素生物合成的基因在抗性品系Abe2和易感品系B73之间显示出对蚜虫侵害的不同反应,证实了植物激素在蚜虫抗性中的重要性。

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图1| 激素途径中差异基因表达模式热图

(图源:Tengyue Wang., et al., J Exp Bot., 2023)


转录组学数据显示,差异表达转录因子(TFs)的分布存在差异,在B73与Abe2之间差异表达的TFs基因中,最具代表性的家族是NAC(27个TFs基因)(图2A)。作者分析了B73和Abe2在蚜虫侵染各检测时间点TFs的差异表达,在对照条件下,B73和Abe2之间共有128个TFs基因差异表达,在6 hpi和24 hpi时,B73和Abe2之间分别有120和111个TFs基因差异表达(图2B)。差异表达的TF基因中,只有20个在所有时间点具有相同的调控模式,并且大多数与ERF、MYB、MYB相关,NAC家族的TF基因在B73中的表达高于在Abe2中的表达(图2C)。

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图2| 蚜虫侵袭后转录因子差异表达

(图源:Tengyue Wang., et al., J Exp Bot., 2023)


为确定蚜虫抗性的候选基因,研究人员利用转录组学在6号染色体上蚜虫抗性区域寻找蚜虫侵染后DEGs的共定位。QTL定位共检测到28个基因,其中10个基因在蚜虫侵染后在Abe2与B73中差异表达。根据基因注释发现Zm00001d035736、Zm00001d035767和Zm00001d035751三个基因具有与胁迫应答通路相关的功能(表1)。

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表1| qRTA-6置信区间内B73和Abe2的DEGs列表

(表源:Tengyue Wang., et al., J Exp Bot., 2023)



转录组学研究发现植物激素在蚜虫抗性中的重要性,为探究这些激素变化对玉米叶片中代谢物是否有影响,研究人员以未侵染叶片为对照进行了非靶向代谢组学分析,结果显示DAMs在多种代谢途径中富集,包括维生素B6代谢、类黄酮生物合成、ABC转运蛋白、谷胱甘肽代谢和色氨酸代谢。B73-24h vs B73-0h(图3A)、Abe2-24h vs Abe2-0h(图3B)、Abe2-0h vs B73-0h(图3C)和Abe2-24h vs B73-24h(图3D)这四个比较组中DAMs富集最多的途径为黄酮类代谢,包括黄酮类生物合成途径和黄酮类和黄酮醇类生物合成途径,说明黄酮类代谢在玉米抗蚜过程中起重要作用。

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图3| 蚜虫侵袭后差异代谢物KEGG富集分析

(图源:Tengyue Wang., et al., J Exp Bot., 2023)


对转录组学和代谢组学分析发现,在Ab2-0h和B73-0h中,转录组和代谢组中富集最多的KEGG途径是类黄酮生物合成,其次是黄酮和黄酮醇生物合成。与B73-24h相比,黄酮类生物合成在Ab2-24h是富集差异最多的途径(图4A、B)。随后作者建立DEGs与DAMs共表达网络进行联合分析发现黄酮类化合物的数量变化与转录本具有较高的相关性,并鉴定出Zm00001d053839和Zm00001d034635等关键调控基因,显示这些基因可能参与了对蚜虫侵害的黄酮类化合物积累调控(图4C、D)。

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图4| 蚜虫侵袭后DEGs和DAMs相关分析

(图源:Tengyue Wang., et al., J Exp Bot., 2023)


转录组学和代谢组学联合分析表明,类黄酮代谢在玉米抗蚜过程中起重要作用。为证明蚜虫侵染对类黄酮途径中基因和代谢物的影响,研究人员分析了B73和Abe2参与该途径的主要DEGs和DAMs,发现了7个与类黄酮生物合成相关的基因(图5)。此外,Abe2中参与类黄酮生物合成的四种下游代谢物(木犀草素、戊二醇、槲皮素和山奈酚)均显著上调。这些结果表明,与类黄酮生物合成有关的DEGs和DAMs可能协同响应蚜虫的侵害。

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图5| 蚜虫侵袭后Abe2和B73中参与类黄酮代谢的DEGs和DAMs

(图源:Tengyue Wang., et al., J Exp Bot., 2023)





拜谱小结

作者通过以玉米重组自交系B73和Abe2为亲本,以抗蚜评分为指标,构建了有蚜和无蚜叶片的转录组和代谢组文库,通过转录组学和代谢组学联合分析,发现3个抗蚜候选基因与过敏反应、茉莉酸途径和蛋白泛素化相关。差异表达的基因和代谢物在类黄酮生物合成中富集,这些发现拓展了对控制玉米蚜虫抗性的分子机制的认识,为防治蚜虫保护玉米产量提供途径。这一过程中拜谱生物提供了转录组学和代谢组学技术服务,拜谱生物可提供基因组学、蛋白组学、代谢组学等多组学产品及技术服务,欢迎致电咨询!


参考文献:Wang, T., Wang, K., Wang, C., Zhao, Y., Tao, Z., Li, J., Wang, L., Shi, J., Huang, S., Xie, C., & Li, P. Combining quantitative trait locus mapping with multiomics profiling reveals genetic control of corn leaf aphid (Rhopalosiphum maidis) resistance in maize. J Exp Bot. 2023 May 05. doi:10.1093/jxb/erad113.


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