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玉米对串珠镰刀菌茎秆侵染的整合转录组与蛋白质组分析研究

一、作者与发表信息

本研究由Lili Zhang（中国农业科学院作物科学研究所）、Mengwei Hou（河南省农业科学院粮食作物研究所）、Xingrui Zhang（中国农业科学院作物科学研究所）等共同完成，通讯作者为Yanyong Cao（河南省农业科学院粮食作物研究所/神农实验室）和Canxing Duan（中国农业科学院作物科学研究所）。研究成果发表于《Molecular Plant Pathology》期刊2023年第24卷，论文标题为《Integrative transcriptome and proteome analysis reveals maize responses to Fusarium verticillioides infection inside the stalks》。

二、学术背景

科学领域：植物病理学与作物抗病分子机制。
研究动机：
串珠镰刀菌（*Fusarium verticillioides*）引起的玉米茎腐病是全球玉米生产的毁灭性病害，导致产量损失并产生致癌毒素伏马菌素。传统化学防治效果有限，而现有玉米品种缺乏完全抗性基因。尽管对禾谷镰刀菌（*F. graminearum*）的抗性机制已有研究，但串珠镰刀菌与玉米互作的分子机制尚不明确。
研究目标：
通过整合转录组和蛋白质组学技术，解析玉米茎秆响应串珠镰刀菌侵染的防御机制，鉴定关键抗病基因与代谢通路，为抗病育种提供靶点。

三、研究流程与方法

1. 实验设计与病原菌侵染

• 研究对象：中度抗病玉米自交系Chang7-2（CH7-2）。
  
• 侵染方法：在玉米九叶期茎秆第二或第三节间注射串珠镰刀菌菌丝悬液（50 μL），对照组接种PDA培养基。
  
• 取样时间点：接种后3天（3 dpi）采集茎秆邻近组织，液氮速冻保存。
  

2. 生理生化指标测定

测定接种后1、3、5天的以下指标：
- 防御相关酶活性：过氧化氢酶（CAT）、脱氢酶（DHA）、多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）等。
- 代谢物含量：水溶性糖（WSS）、木质素、丙二醛（MDA，脂质过氧化标志物）。
- 结果：侵染后防御酶活性显著升高，MDA含量增加，表明氧化应激与防御响应被激活。

3. 转录组分析（RNA-seq）

• 测序平台：DNBseq-T7，PE150测序模式。
  
• 数据分析：
  
  • 比对至玉米B73参考基因组（RefGen_v4），鉴定差异表达基因（DEGs）。
    
  • 筛选标准：|log2FC| ≥ 1且padj < 0.05，共鉴定2814个DEGs（1538上调，1276下调）。
    
  • 功能富集：谷胱甘肽代谢、苯丙烷生物合成（KO00940）、植物-病原互作通路（KO04626）显著富集。
    

4. 蛋白质组分析（iTRAQ-LC-MS/MS）

• 技术流程：
  
  • 蛋白质提取与胰酶消化，8-plex iTRAQ标记。
    
  • 液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）鉴定，ProteinPilot软件分析。
    
• 结果：
  
  • 鉴定3969个蛋白质，387个差异表达蛋白（DEPs，274上调，113下调）。
    
  • 关键通路：苯丙烷生物合成、亚油酸代谢（KO00591）等。
    

5. 多组学整合分析

• 关联分析：74个DEPs与DEGs趋势一致（如脂氧合酶基因*ZmLox2*）。
  
• 验证实验：
  
  • RT-qPCR：验证14个候选基因（如*ZmLox2*、*ZmPRP6*），表达趋势与RNA-seq一致。
    
  • 平行反应监测（PRM）：定量目标蛋白，证实iTRAQ数据可靠性。
    

6. 基因功能验证（VIGS）

• 方法：利用改良的BMV病毒诱导基因沉默系统（BMV-VIGS）敲低*ZmLox2*、*ZmCTA1*（几丁质酶基因）和*ZmWIP1*（创伤诱导基因）。
  
• 表型分析：
  
  • *ZmLox2*沉默植株接种后茎腐病症状加重，病斑面积扩大1.5倍。
    
  • 防御相关基因（*ZmPR3/4/5*）表达降低，SA（水杨酸）途径被抑制。
    

7. 激素信号通路解析

• 外源处理：SA预处理恢复*ZmLox2*沉默植株的抗病性，而MeJA（茉莉酸甲酯）无此效果。
  
• 机制：*ZmLox2*通过SA依赖途径调控防御反应，而非JA途径。
  

四、主要结果与逻辑链条

1. 侵染早期响应：串珠镰刀菌侵染3天后，茎秆组织褐变，伴随防御酶活性和木质素积累升高（图1）。
   
2. 转录组与蛋白质组协同变化：
   
   • 苯丙烷通路：DEGs（如*PAL*）和DEPs（如肉桂酸羟化酶）同步上调，强化细胞壁抗性。
     
   • 脂氧合酶基因*ZmLox2*：在转录和蛋白水平均显著诱导，沉默后导致SA信号减弱（图7）。
     
3. 功能验证：*ZmLox2*通过SA途径激活PR基因和ROS积累，直接调控抗病性（图7h）。
   

五、研究结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 首次整合多组学揭示玉米茎秆抗串珠镰刀菌的分子网络，明确SA途径的核心作用。
     
   • 鉴定*ZmLox2*为新型抗病调控因子，拓展了植物OX-LIP（氧化脂质）信号在抗病中的功能认知。
     
2. 应用价值：
   
   • 为玉米抗茎腐病分子育种提供靶基因（如*ZmLox2*、*ZmCTA1*）。
     
   • 改良的BMV-VIGS技术可高效验证玉米基因功能。
     

六、研究亮点

1. 技术创新：结合iTRAQ-PRM双平台验证蛋白质组数据，提升可靠性。
   
2. 发现新颖性：
   
   • 揭示*ZmLox2*通过SA而非JA途径调控抗病性，与传统LOX功能（如*ZmLox3*促病）形成对比。
     
   • 鉴定到14个抗病相关基因/蛋白的协同表达模式。
     
3. 方法优化：改良BMV-VIGS载体（图S10），确保基因沉默稳定性。
   

七、其他有价值内容

• 数据资源：RNA-seq与iTRAQ原始数据已公开（DOI: 10.1111/mpp.13317）。
  
• 延伸问题：*ZmLox2*下游互作蛋白未解析，需进一步研究其信号传导机制。
  

此研究为玉米抗病机制提供了系统性见解，并为作物抗病遗传改良奠定了理论基础。