香蕉野生种质"Calcutta 4"对尖孢镰刀菌古巴专化型亚热带4号小种的早期免疫应答机制解析

这篇研究通过组织学和转录组分析揭示了香蕉野生种质"Calcutta 4"对尖孢镰刀菌古巴专化型亚热带4号小种（Foc STR4）的早期免疫防御机制。研究发现该种质通过快速激活PTI（模式触发免疫）和ETI（效应触发免疫）相关通路，上调752个差异表达基因（DEGs），包括模式识别受体（PRRs）、几丁质酶、植物激素、NLR家族抗性基因等关键防御因子，同时伴随胼胝质沉积和酚类化合物积累等结构防御反应，为香蕉抗病育种提供了重要靶基因。

　　

研究背景与意义

香蕉作为全球重要的经济作物和粮食作物，面临着尖孢镰刀菌古巴专化型（Fusarium oxysporum f. sp. cubense, Foc）的严重威胁。其中热带4号小种（TR4）和亚热带4号小种（STR4）对包括"卡文迪什"在内的商业品种具有毁灭性危害。野生香蕉种质"Calcutta 4"（Musa acuminata subsp. burmannica）因其对多种Foc小种的广谱抗性，成为研究抗病机制和抗病育种的重要材料。

材料与方法

研究选用抗性基因型"Calcutta 4"和感病品种"Prata-An?"（AAB组）为材料，接种Foc STR4分离株218A。通过组织学分析观察胼胝质沉积和酚类化合物积累等防御反应，利用RNA-seq技术分析接种后1、2、4天（DAI）的基因表达变化，并通过RT-qPCR验证关键差异表达基因（DEGs）。测序数据比对到香蕉参考基因组DH-Pahang v.4，采用EdgeR进行差异表达分析，并通过GO、KEGG、KOG和MapMan等工具进行功能注释。

组织学防御反应

比较组织学分析显示，"Calcutta 4"在接种后1-2天即出现显著的胼胝质沉积和酚类化合物积累，而感病品种"Prata-An?"则无此反应。扫描电镜观察发现，Foc STR4在"Calcutta 4"根部仅以孢子和菌丝形式存在于根表，而在"Prata-An?"中则能深入内部组织。症状评估证实"Calcutta 4"在接种后120天仍保持健康，而"Prata-An?"表现出典型的萎蔫症状和根茎坏死。

转录组分析结果

RNA-seq分析鉴定到1,416个DEGs，其中1,223个上调，193个下调。2 DAI时期基因表达变化最为显著，检测到752个上调DEGs。功能分析揭示了PTI和ETI相关通路的协同激活：

PTI相关防御机制

研究发现多个模式识别受体（PRRs）基因上调，包括几丁质受体LYK5（Macma4_04_g09660）和CERK1（Macma4_10_g11450）组成的识别复合物，以及SOBIR1（Macma4_02_g09450）等受体激酶。这些受体触发MAPK级联反应，激活WRKY28（Macma4_11_g08360）等转录因子，进而诱导PR蛋白如类甜蛋白TL1（Macma4_05_g17130）的表达。胼胝质沉积与ABA受体PYL2（Macma4_06_g02820）和胞吐复合体组分EXO70B1（Macma4_10_g10790）的调控相关。

ETI与抗病蛋白

研究鉴定到多个NLR家族抗病基因上调，包括NDR1/HIN1-like蛋白10（Macma4_09_g31980）和RPS5（Macma4_04_g37480）等，这些基因参与效应蛋白识别和过敏反应（HR）的触发。SAR缺陷蛋白1（SARD1，Macma4_08_g16850）的上调表明系统获得抗性（SAR）通路的激活。

植物激素信号网络

水杨酸（SA）通路通过SABP2（Macma4_04_g03250）受体激活PR1基因表达；茉莉酸（JA）信号通过MYC2（Macma4_07_g04870）和JAMYB（Macma4_09_g16730）转录因子调控防御反应；乙烯（ET）信号则通过EIL1（Macma4_08_g22960）和ERF1B（Macma4_11_g21380）等因子传导。这些激素通路共同协调了抗病相关基因的表达。

次级代谢产物

研究首次在香蕉中发现芪合酶1（Stilbene synthase 1，Macma4_10_g24620）和Premnaspirodiene加氧酶（Macma4_07_g21750）等植保素合成基因的特异性上调，这些酶催化产生具有抗菌活性的芪类和倍半萜类植保素，在"Calcutta 4"的抗病反应中发挥重要作用。

基因表达验证

RT-qPCR验证了15个关键DEGs的表达模式，包括酸性内切几丁质酶（Macma4_01_g21300）、过氧化物酶4（Macma4_06_g16370）和病程相关蛋白PR1（Macma4_03_g08420）等，结果与转录组数据高度一致。值得注意的是，芪合酶1和Premnaspirodiene加氧酶在感病品种"Prata-An?"中几乎不表达。

研究意义与展望

该研究系统解析了"Calcutta 4"对Foc STR4的多层次防御机制，包括早期识别、信号传导、结构防御和抗菌物质合成等过程。鉴定的抗病相关基因为香蕉抗病育种提供了重要靶点，特别是考虑到Foc STR4与TR4的密切亲缘关系，这些基因可能具有广谱抗性潜力。研究提出的抗病模型为理解香蕉与土传病原的互作机制提供了新见解，也为开发新型抗病策略奠定了理论基础。