水稻抗病新发现：基因与转录组解析迪屯 506 抗稻瘟病机制

为探究水稻抗稻瘟病机制，研究人员对比迪屯 502 和 506 转录组与基因组，发现关键基因及 SNP 作用。

　　稻瘟病是水稻种植中的 “头号杀手”，由稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）引起，全球每年因它导致的水稻减产超过 30% ，严重威胁着全球粮食安全。水稻作为亚洲国家的主食，为全球半数以上人口提供能量，其产量和质量至关重要。

多年来，科研人员一直致力于研究水稻与稻瘟病菌的相互作用，虽有成果，但稻瘟病菌不断变异，新的水稻品种常因病菌侵害而减产。比如，一些原本具有抗性的水稻品种，种植几年后就失去了对稻瘟病菌的抵抗力。因此，挖掘新的水稻抗稻瘟病基因，探索其抗病机制迫在眉睫。

为了解决这些问题，云南农业大学的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们以迪屯 502（D502）这个云南重要的水稻品种及其衍生的抗稻瘟病品种迪屯 506（D506）为研究对象，通过比较转录组和基因组分析，深入探究水稻的抗病机制。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是高通量 RNA 测序（RNA-Seq），用于获取受稻瘟病菌感染后 D502 和 D506 叶片的转录本信息；二是基因组测序，测定两个品种的基因组序列，分析基因差异；三是生物信息学分析，包括差异表达基因（DEGs）分析、基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析、蛋白质 - 蛋白质相互作用网络分析等，挖掘基因功能和潜在的抗病机制。

研究结果如下：

1. 迪屯 502 和迪屯 506 幼苗对稻瘟病菌的响应：接种 13 种稻瘟病菌株 7 天后，发现 D502 对几乎所有菌株都高度易感，病斑评分在 3 - 5，疾病指数（DI）范围为 25.05 - 78.88；而 D506 表现出高抗性，仅 YN541 菌株使 D506 出现 3 - 4 级病斑，DI 范围为 4.33 - 30，表明 D506 对多数稻瘟病菌株有明显抗性。
2. 差异表达基因（DEGs）的高通量 RNA - seq 分析：RNA - seq 产生了大量可靠数据。主成分分析（PCA）和层次聚类分析显示，稻瘟病菌感染后，D502 转录变化明显，而 D506 在 48 小时时转录变化较小。在不同时间点，D502 和 D506 分别鉴定出不同数量的 DEGs，且二者相似的 DEGs 占比不高。
3. 易感和抗性品种中 DEGs 的功能注释分析：GO 和 KEGG 通路分析表明，在抗性品种 D506 中，上调的 DEGs 在核糖体生物发生等过程显著富集；而在易感品种 D502 中，许多 DEGs 在植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢等途径下调，这些变化可能导致 D502 抗性丧失。
4. DEGs 在 KEGG 通路中的表达：分析多个 KEGG 通路相关基因发现，在核糖体和核糖体生物发生通路中，D506 有较多基因上调；在植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢等通路中，D502 有大量基因下调，这些下调基因可能参与削弱宿主对稻瘟病菌的防御反应。
5. D502 和 D506 中 DEGs 在不同时间进程的表达谱：通过 mRNA - seq 分析，发现 cluster 3 基因在 D506 中高表达，其功能主要与植物防御反应、代谢途径等相关，进一步证明 D506 在应对稻瘟病菌感染时激活了防御相关基因。
6. DEGs 的蛋白质 - 蛋白质相互作用网络分析：PPI 网络分析显示，D506 的网络相互作用复杂性在感染后增加，而 D502 降低。功能富集分析表明，D506 中 DEGs 参与更多防御和酶相关的 GO 和 KEGG 通路，这可能是其具有抗性的原因之一。
7. DEGs 参与 PTI 和 ETI 信号通路：研究发现 D506 中有许多 DEGs，包括 P450 细胞色素、转录因子（TFs）等，可能参与模式触发免疫（PTI）和效应子触发免疫（ETI）信号通路，激活对稻瘟病菌的免疫反应，增强抗病性。
8. 易感和抗性品种之间的基因组分析：对两个品种基因组测序发现，D506 的平均基因组覆盖度更高。大量 SNP 存在于基因间区域，且非同义单核苷酸多态性（nsSNPs）在两个品种中都较多。功能注释显示，D502 中携带 nsSNPs 的基因多与防御和免疫相关通路有关，但多为下调，而 D506 中相关基因较少。
9. 携带 nsSNPs 的基因鉴定及其功能分析：基于 nsSNPs 分析，鉴定出 D502 和 D506 中携带不同 nsSNPs 的基因。功能富集分析表明，D502 中这些基因多与易感性相关，而 D506 中四个基因（WAK1、WAK4、WAK5 和 OsDja9）携带 nsSNPs 且上调表达，可能与抗病性有关。
10. 联合转录组和基因组分析揭示迪屯 506 的抗性：联合分析发现，D506 中特有的 4 个基因（WAK1、WAK4、WAK5 和 OsDja9）携带 nsSNPs 且上调表达。这些基因的 nsSNPs 导致氨基酸变异，改变蛋白质结构，可能使其在 D506 中发挥抗病作用。

研究结论和讨论部分指出，本研究通过多组学方法揭示了 D502 和 D506 对稻瘟病菌感染的不同响应机制。发现的 4 个防御和抗病基因在 D506 中高表达且携带 nsSNPs，可能参与增强 D506 对稻瘟病菌的抗性。这些发现为水稻分子育种提供了重要的遗传资源，有助于培育更具抗性的水稻品种，对农业生产中稻瘟病的防治具有重要意义，为解决全球粮食安全问题提供了新的思路和方向 。