转录因子招募驱动植物对坏死性病原体定量抗性的进化机制研究

本研究针对作物野生亲属中广谱坏死性病原体定量抗性（QDR）的调控机制不明确问题，通过比较五种野生番茄对核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）的转录组响应，发现物种特异性调控网络主导QDR变异。研究人员整合系统发育转录组学和加权基因共表达网络分析（WGCNA），首次揭示NAC29转录因子在S. pennellii中的协同进化（co-option）是抗性形成的关键，为作物抗病育种提供了进化生物学新视角。

　　

植物在面对广谱坏死性病原体侵袭时，往往依赖定量抗性（quantitative disease resistance, QDR）这种由多基因控制的复杂防御机制。与针对专性寄生菌的单基因抗性不同，QDR对坏死性病原体如核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）等具有更持久的抗性效果。然而，作物野生亲属中存在的丰富QDR变异其遗传和调控基础至今仍不明确。尤其令人困惑的是，这种抗性究竟是通过保守的调控通路实现，还是由物种特异性网络所控制？这个问题的解答对作物抗病育种具有重大意义。

为了解开这个谜团，德国基尔大学和法国INRAE的研究团队在《The Plant Cell》上发表了最新研究成果。他们选取了具有不同QDR水平的五种野生番茄物种（S. chilense、S. habrochaites、S. lycopersicoides、S. pennellii和S. pimpinellifolium），通过整合多组学分析和系统发育生物学方法，揭示了QDR进化的分子机制。

研究人员采用的关键技术包括：跨物种比较转录组学分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）、系统发育转录组学（phylotranscriptomics）、基因调控网络重建（GRN）以及选择压力分析（dN/dS）。实验材料来自美国加州大学戴维斯分校番茄遗传资源中心的野生种质资源，通过离体叶片接种核盘菌并测量病斑倍增时间（LDT）来量化抗性表型。

野生番茄显示多次转录组分化的迹象

系统发育分析揭示了五个番茄物种间高度保守的蛋白质组基础，共有13,280个直系同源群。虽然物种特异性蛋白数量相对较少，但系统发育分层显示基因家族创始人事件在关键进化节点出现高峰，如在胚胎植物（Embryophyta）和开花植物（Spermatophyta）出现时期。这些发现表明，尽管存在物种特异性适应，核心基因组进化轨迹仍然高度保守。

核盘菌耐受性在野生番茄种间和种内存在高度多样性

表型分析发现不同基因型间存在广泛的QDR表型变异，其中S. lycopersicoides和S. pennellii显示出最显著的种内差异。病斑倍增时间（LDT）在抗性基因型中显著延长，表明病原体生长速度受到抑制。

核盘菌感染诱导的基因表达变化具有基因型特异性

转录组分析显示不同物种对感染的反应存在显著差异。S. chilense和S. habrochaites的差异表达基因（DEGs）数量较少，而S. pennellii、S. lycopersicoides和S. pimpinellifolium则表现出更强的调控响应。值得注意的是，DEGs数量与QDR水平之间没有显著相关性，表明基因重编程的绝对数量不能解释QDR变异。

相同物种的基因型表现出强大的调控可塑性

通过比较抗感和感病基因型在感染条件下的基因表达，研究人员发现物种间差异表达基因数量存在显著变异。S. lycopersicoides基因型间差异最大（5,855个上调基因），而S. pimpinellifolium差异最小。成员分析显示大多数差异表达直系同源群（DEOGs）是物种特异性的，但也鉴定出239个核心DEOGs（cDEOGs）在五个物种中共同差异表达。

诱导型cDEOGs的调控在茄属物种间多样化

16个感染诱导的核心DEOGs中包括AP2/ERF家族转录因子和一个推定的UDP-糖基转移酶。令人惊讶的是，这些基因在不同物种中表现出矛盾调控模式。例如，推定的ERF D6（OG0018399）在S. habrochaites、S. pennellii和S. chilense的抗性基因型中上调，但在S. pimpinellifolium和S. lycopersicoides中下调。

加权基因相关网络分析揭示转录组特化证据

通过构建基于直系同源群的泛物种共表达网络，研究人员发现模块特征基因与LDT没有显著关联。感染相关模块的特征基因估计值从最感病到最抗病基因型没有清晰梯度，表明QDR调控可能紧密整合在基因型或物种特异性调控框架中。

物种特异性网络拓扑结构与QDR变异相关

对S. pennellii和S. lycopersicoides的物种特异性网络分析揭示了不同的抗性相关模块。S. pennellii鉴定出两个抗性模块（'red'和'blue'），而S. lycopersicoides鉴定出五个抗性模块。通过直系同源群比较发现，虽然部分QDR相关基因在物种间共享，但显著数量的基因仍与不同的非抗性模块相关联，反映了物种特异性调控微调。

功能富集揭示广泛的核心功能集和特异性物种功能

GO term富集分析显示，重叠基因富集在初级/次级代谢、定位、发育过程、蛋白质代谢、信号传导和刺激响应等功能类别。S. pennellii特异性基因集中在生物合成和应激响应，而S. lycopersicoides特异性基因强调运输和氨基酸代谢等功能。

共享QDR调控涉及进化保守基因

转录本年龄指数（TAI）分析表明物种特异性基因进化上更年轻，而共享基因显示较低转录本分化指数（TDI），表明受到更强的纯化选择。非同义替换与同义替换比率（dN/dS）在独特调控基因集中显著升高，支持两个物种共享一个保守的祖先基因套件形成定量防御网络调控的"主干"，而较年轻、保守程度较低的基因负责特化。

S. pennellii基因型LA2963的QDR可能通过转录因子协同进化获得

基因调控网络分析发现，S. pennellii中的Trihelix转录因子GT-3b（Sopen09g001470）、MADS-box蛋白（Sopen10g006210）和NAC转录因子29（Sopen05g003630）与抗性密切相关。其中NAC29（OG0005445）仅在S. pennellii抗性基因型中强烈诱导，虽然在其它物种中存在且表达，但不在大多数其它物种的抗性基因型中特异性诱导或分配给抗性模块。

研究结论表明，植物对广谱坏死性病原体的定量抗性进化是由保守和物种特异性机制共同控制的。核心基因网络提供基础防御框架，而物种特异性调控创新则实现精细适应。特别重要的是，NAC29转录因子在S. pennellii中的协同进化案例展示了转录因子如何被重新用于QDR，说明了调控进化在植物适应中的关键作用。

这项研究的深刻意义在于揭示了植物抗病性进化的双重策略：一方面保持核心防御网络的稳定性，另一方面通过调控创新实现快速适应。这种进化模式为作物抗病育种提供了新思路，即可以通过挖掘野生亲属中的调控变异，特别是转录因子的协同进化事件，来培育具有广谱持久抗性的作物品种。研究展示的整合系统发育生物学与网络医学的方法框架，也为研究其它复杂性状的进化提供了范例。