研究背景
研究结果
1. 白腐病原菌侵染葡萄果实的转录组分析
对接种白腐病原菌不同时间点的葡萄果实进行转录组测序分析，比对其转录组水平的差异，来探究葡萄受到病原菌侵染时转录组水平的变化，并尝试解析葡萄的抗病机制。以|log2(fold change)|≥1, q-value≤0.05为筛选条件，在3个不同时间点对易感和抗性葡萄的表达基因进行比较时，共鉴定出8158个差异表达基因，其中有576个是刺葡萄所独有的，且在刺葡萄接种白腐病原菌后出现稳定表达差异的基因。并对这576个基因进行富集分析，结果显示576个差异表达基因富集在78个KEGG通路中。其中，“植物-病原体相互作用”（ko04626）、“碳代谢”（ko01200）、“植物激素信号转导”（ko04075）和“黄酮生物合成”（ko00941）包含最多的基因。
图1 差异表达基因的韦恩图和富集通路
2.白腐病原菌侵染葡萄果实的代谢组分析
通过代谢组学分析研究植物在病原菌入侵后代谢物的变化与差异，可以揭示植物内源性代谢物在病原菌入侵时的应答规律。对接种白腐病原菌不同时间点的葡萄果实进行代谢组检测，比对代谢水平的差异，筛选出抗病代谢物。在3个不同时间点对易感和抗性葡萄的代谢物进行比较时，共筛选出271个差异代谢物，其中黄酮类物质有100个，脂类有46个，氨基酸及其衍生物有37个，酚酸类有32个。Venn图显示，有36个差异代谢物（DAMs）是Vd特有的，这些DAMs主要是氨基酸及其衍生物和各种酚类聚合物。如覆盆子酮葡萄糖苷和飞燕草素-3-O-葡萄糖醛酸的积累显著降低；橙皮素、新橙皮素和柑橘素在24小时侵染后积累程度更大，然后在48小时侵染后减少；山奈酚、杨梅素和橙皮素的积累始终保持高水平。
图2 代谢组概述及差异代谢物韦恩图
3. 葡萄中黄酮类代谢途径中基因和代谢物的变化
转录组和代谢组分析的结果表明，V. davidii对葡萄白腐病的响应显著受到黄酮类代谢的影响，特别是黄酮和黄酮醇。黄酮类生物合成的根基在于苯丙烷途径，与次级代谢途径相关的基因表达，包括苯丙烷、黄酮类、黄酮和黄酮醇生物合成，在接种葡萄白腐病病原体后的24小时和48小时内在浆果中被诱导表达。三个关键酶，苯丙氨酸解氨酶（PAL）、反式肉桂酸4-单加氧酶（C4H）和4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL），启动苯丙烷途径，催化肉桂酸和对香豆酰辅酶A的产生，然后进入黄酮类代谢途径。PAL注释的基因中有一半在Vd中上调表达。这些酶的功能与编码它们的基因的表达密切相关，表明催化反应产物可能随时间积累。我们研究了黄酮类合成途径，并注释了参与这一过程的几个关键基因，包括查尔酮合酶（CHS）、黄酮醇3',5'-羟化酶（F3’5’H）、黄酮酮3-羟化酶（F3H）、黄酮醇合酶（FLS）和花青素O-甲基转移酶（FAOMT），在Vd中发现这些基因高度表达（图3A，C）。此外，黄酮类合成的几个重要组分，包括柚皮素、橙皮素、杨梅素、川陈皮素、二氢山道年、杨梅素和丁香素，也在Vd中显著增加（图3B）。我们的发现表明，这些基因的上调与白腐病抗性品种Vd中黄酮类增强积累之间存在正相关。这些发现为葡萄病害抗性机制提供了重要见解。
图3 黄酮类生物合成途径中代谢物和基因的表达分析
4.加权基因共表达网络分析（WGCNA）
选择22个在刺葡萄接种白腐病原菌后在24h和48h都出现稳定积累差异的代谢物，其中氨基酸及其衍生物有7个，酚酸类有4个，黄酮类化合物有11个。利用转录组和代谢组数据构建共表达模块和识别枢纽基因， 得到15个共表达基因模块，共鉴定到3个与代谢物合成相关的特异性模块。对这些模块中的基因进行KEGG富集分析，结果表明这些模块中的基因富集到了类黄酮生物合成、黄酮和黄酮醇的生物合成和氨基酸生物合成相相关的调控通路。
图4 差异表达基因与代谢物的共表达模块
6.结论
本研究通过对白腐病侵染后的果实进行转录组和代谢组分析，我们观察刺葡萄果实中与黄酮类代谢相关的代谢物，包括柚皮素、橙皮素、二氢杨梅素等存在显著富集。此外，参与黄酮类代谢的核心基因（F3'5'H、F3'H、PAL、FLS）在刺葡萄中的表达水平更高。我们还鉴定了几个与黄酮类相关的候选基因，包括黄酮类3',5'-甲基转移酶样蛋白、纤维素合酶样蛋白E6和黄酮类3',5'-羟化酶2，这些基因在刺葡萄中高表达。总体而言，这些结果表明黄酮类化合物可能在刺葡萄对白腐病的抗性中发挥关键作用。
中国农业科学院郑州果树研究所张颖研究员为该论文通讯作者，硕士研究生谭西北为该论文第一作者。该论文得到了国家重点研发计划（No.2021YFD1200200）、国家自然科学基金（31872057）、国家现代农业产业技术体系建设专项资金项目（CARS-29）和中国农业科学院科技创新工程专项经费项目（CAAS-ASTIP-2021-ZFRI）的资助。
团队或作者（第一或者[和]通讯作者）简介
通讯作者简介：张颖，女，研究员，博士生导师。果树种质改良研究中心主任，葡萄与育种创新团队首席，意大利维罗纳大学访问学者。主要从事葡萄基因组组装、资源精准鉴定、重要农艺性状基因挖掘、葡萄分子育种技术研究，建立了葡萄远源杂交群体，创制了一批优异种质资源；完成了葡萄白腐病基因组的测序组装，首次获得了病原菌的效应蛋白；在葡萄抗性遗传育种、葡萄基因组、GWAS等方面有突破性研究进展。选育的葡萄抗病无核新品种13个；在中外学术期刊发表30余篇论文，其中SCI 20篇，出版著作4本。
