三七PR蛋白基因家族全基因组分析揭示抗根腐病病原菌感染的分子机制

本研究针对三七(Panax notoginseng)根腐病防治难题，通过全基因组鉴定152个病程相关(PR)蛋白基因，结合转录组和WGCNA分析，揭示了PR基因在防御破坏伊利亚菌(Ilyonectria destructans)感染中的关键作用。研究发现PnPR4基因经SA和MeJA诱导后显著上调，转基因烟草实验证实其赋予对尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)的广谱抗性，为三七抗病育种提供了重要靶点。

　　

三七作为重要的药用植物，其栽培过程中常遭受根腐病侵袭，主要由尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、茄病镰刀菌(Fusarium solani)和破坏伊利亚菌(Ilyonectria destructans)等病原真菌引起，严重影响产量和品质。虽然已知病程相关蛋白(Pathogenesis-related proteins, PR)在植物防御中起关键作用，但三七中PR基因的系统鉴定和功能研究仍存在空白。云南农业大学农学与生物技术学院的研究人员通过全基因组分析、转录组测序和分子实验，揭示了PR基因家族在三七抵抗根腐病中的重要作用，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》上。

研究人员首先利用生物信息学方法从三七基因组中鉴定出152个PR基因，分属PR1、PR2、PR3等9个家族。通过组织特异性表达分析和启动子顺式元件预测，发现这些基因可能参与激素和胁迫响应。为探究PR基因在抗病中的作用，采用破坏伊利亚菌接种三七叶片，在不同时间点进行转录组测序，结合加权基因共表达网络分析(WGCNA)筛选关键基因。此外，通过外源施加水杨酸(SA)和茉莉酸甲酯(MeJA)处理，分析PR基因的激素响应模式。最后选择显著上调的PnPR4基因进行烟草遗传转化，验证其抗病功能。

研究结果显示，在破坏伊利亚菌感染后，38个PR基因显著上调，其中9个基因呈现持续上调模式。WGCNA分析发现，与120小时感染样本显著相关的darkred模块中，PR基因与苯丙氨酸代谢、MAPK信号通路等抗病相关通路显著富集。激素处理实验表明，PnPR4基因对SA和MeJA均表现出持续响应，在SA处理72小时表达量达对照6.89倍，在MeJA处理6小时达13.43倍。转基因烟草实验证实，过表达PnPR4显著减小尖孢镰刀菌侵染的病斑面积，病斑大小仅为野生型的18.9%-26.9%，证明该基因具有广谱抗病潜力。

讨论部分指出，PR基因家族的多样性为三七提供了多层次的防御系统。特别是PnPR4基因通过响应SA和JA信号通路，在抵抗不同病原菌中发挥核心作用。研究还发现一个与多个PR基因共表达的NAC转录因子，暗示可能存在转录调控网络协调抗病反应。该研究不仅系统阐明了三七PR基因家族的组成和功能，为抗病育种提供了分子靶点，同时揭示了PR蛋白在药用植物防御体系中的进化特征——与农作物相比，三七缺失PR6和PR13家族基因，这可能与其特殊的次生代谢和人工驯化历史有关。

这项工作的创新性在于首次在全基因组水平解析了三七PR基因家族，通过多组学整合分析揭示了PR基因在抗根腐病中的动态调控网络，并实验验证了PnPR4的广谱抗病功能。研究成果为理解药用植物的免疫机制提供了新视角，对开发环保型生物农药和培育抗病三七品种具有重要指导价值。