北苍术根腐病转录调控网络解析及抗病分子靶标发现

　　本研究针对药用植物北苍术(Atractylodes chinensis)根腐病防治难题，通过转录组学分析揭示了病程不同阶段的基因表达动态。研究人员发现蔗糖磷酸合成酶(SPS)、UDP-葡萄糖6-脱氢酶(UGDH)等4个关键基因在早期感染中异常表达，29个渐进差异表达基因(DEGs)与一碳代谢、转甲基化反馈调节等生理过程密切相关。该研究为抗病品种选育提供了分子靶标，对保障中药材可持续发展具有重要意义。

　　

北苍术作为传统中药材的重要来源，其干燥根茎被中国药典和日本药典共同收载，具有治疗胃肠疾病和泌尿系统疾病的药理活性。然而随着野生资源的日益枯竭，人工栽培成为满足市场需求的主要途径。但根腐病的肆虐严重制约着北苍术的规模化种植，特别是由镰刀菌(Fusarium)和壳圆孢菌(Volutella)等病原菌引起的根部腐烂，导致植株叶片褐变、微菌核形成、生长停滞，最终死亡。虽然目前已有通过内生红球菌(Rhodococcus)和哈茨木霉(Trichoderma harzianum)等生防菌进行防治的尝试，但对北苍术根腐病发生发展的分子机制仍知之甚少。

为了解决这一难题，李英哲等研究人员在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果，通过系统解析北苍术根腐病发生过程中的转录组景观，揭示了病程特异性基因调控网络。研究团队在农业农村部认定的国家级区域性良种繁育基地——河北省隆化县，采集了表现根腐病早期症状、晚期坏死症状以及健康对照的根茎样本。利用超高通量测序技术，研究人员检测到差异表达基因(DEGs)，并通过Reactome通路富集分析系统筛选出根腐病感染下的关键失调基因，进而阐明了级联信号传导过程。

研究采用的主要技术方法包括：田间控制栽培和五取样法采集根茎样本；Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序；STAR软件将数据映射到近缘物种牛蒡(Arctium lappa)基因组；DESeq2进行差异表达分析；Plant Reactome和Metascape进行功能注释和通路富集；STRING数据库构建蛋白质互作网络；WGCNA进行共表达分析；分光光度法测定直链淀粉和支链淀粉含量。

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根腐病发病初期转录动态失调

比较转录组学分析显示，与对照组(CT)相比，初期根腐病组(PRR)中存在366个显著上调和225个下调基因(校正p值<0.05；倍数变化>4)。染色体定位显示差异表达基因在CM042048.1染色体上持续富集。Plant Reactome分析发现上调基因显著富集于65条通路，包括苯丙烷生物合成(p=0.042)；下调基因富集于38条通路，如UDP-D-芹菜糖生物合成(p=0.036)。四个关键枢纽基因对早期根腐病感染响应显著：下调的L6452_29839(推定蔗糖磷酸合成酶3)、L6452_06931(UDP-葡萄糖6-脱氢酶1样)和L6452_11144(UDP-D-芹菜糖/UDP-D-木糖合成酶2)，以及上调的L6452_36719(颗粒结合淀粉合成酶1)。这些调节因子间表现出强烈的共表达模式，下调酶基因间呈高度正相关(r≥0.7)，而L6452_36719则呈现负相关。L6452_06931在羧酸和碳水化合物衍生物代谢过程中显著富集(p<0.05)。分析显示CT组的直链淀粉含量显著高于PRR(p<0.05)和晚期根腐病组(ARR)(p<0.001)，而支链淀粉含量在CT中显著低于PRR(p<0.05)。

根腐病晚期阶段的异常基因表达谱

随着根腐病进展，转录失调加剧。ARR和PRR阶段的比较分析识别出551个上调和759个下调基因(校正p值<0.05；倍数变化>4)。通路中心筛选发现29个枢纽基因与疾病进展功能相关，如上调的乙烯生物合成酶(L6452_04007，1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶7样)和下调的蛋氨酸代谢调节因子(L6452_24444，5-甲基四氢蝶酰三谷氨酸-高半胱氨酸甲基转移酶)。WGCNA共表达网络分析将27个下调代谢基因聚类到一个保守模块中，而排除了上调的L6452_04007和L6452_20382。蛋白质互作预测表明枢纽基因编码的蛋白质之间存在强相互作用，包括：胞质甘油醛-3-磷酸脱氢酶样(L6452_17015)和线粒体琥珀酸半醛脱氢酶(L6452_00095)等中心碳代谢酶；UDP-葡萄糖6-脱氢酶3样(L6452_10785)等核苷酸糖转化酶；推定蔗糖磷酸合成酶1(L6452_26647)、蔗糖磷酸酶2(L6452_11321)和蔗糖磷酸酶2样(L6452_29411)等蔗糖代谢调节因子；叶绿体邻氨基苯甲酸合酶β亚基2(L6452_13603)、胞质果糖二磷酸醛缩酶6(L6452_29185)和S-腺苷甲硫氨酸合酶2(L6452_24645)等特殊代谢组分。五个核心代谢酶(L6452_17015、L6452_10785、L6452_00095、L6452_29185和L6452_26647)的失调显著扰乱了9个本体术语(p<0.001)，如胚胎发育以种子休眠结束和谷氨酸代谢过程。

根腐病致病过程中保守的转录组重编程

跨阶段比较分析识别出196个持续上调和188个下调基因(校正p值<0.05；倍数变化>1)。通路富集揭示两种主导机制：上调基因中最显著的通路是吡哆胺合成代谢，下调基因中最显著富集的是超氧化物自由基的清除。整合筛选 pinpoint 出编码吡哆醛代谢调节因子(L6452_41016，吡哆醛激酶)、核苷酸糖相互转化酶(L6452_31567，双功能UDP-葡萄糖4-差向异构酶和UDP-木糖4-差向异构酶1样)、细胞壁生物合成机制(L6452_05034/L6452_18564/L6452_25201，纤维素合酶A催化亚基)、ROS清除系统相关超氧化物歧化酶Cu-Zn和L-抗坏血酸过氧化物酶(L6452_38883/L6452_03621)，以及特殊代谢介质包括尿黑酸1,2-双加氧酶(L6452_28564)和推定蔗糖磷酸合成酶1(L6452_26647)的枢纽基因。染色体定位显示常见核心调节因子存在空间聚类，上调基因密度峰值在CM042047.1上，下调基因密度峰值在CM042051.1上。病原体衍生的L6452_14497(标注为ATP合酶亚基β)在整个队列中持续检测到，其渐进性上调与疾病进展相关。

研究结论表明，北苍术根腐病的发生发展伴随着复杂的转录重编程过程。早期感染阶段主要影响蔗糖代谢、细胞壁生物合成和活性氧平衡相关基因；随着病情进展，一碳代谢、转甲基化反馈调节、氨基酸和植物抗毒素合成等关键生理过程相继受到影响；在整个病程中持续存在的基因表达变化则涉及吡哆醛代谢、超氧化物清除等基础代谢过程。这些发现不仅揭示了北苍术响应根腐病感染的分子机制，更重要的是为抗病育种提供了多个潜在靶点基因。通过调控这些关键基因的表达，有望培育出抗根腐病的北苍术新品种，从而解决限制其规模化种植的关键瓶颈问题，保障中药材资源的可持续供应。

研究的创新之处在于首次系统描绘了北苍术根腐病发展的阶段特异性转录组图谱，发现了多个此前未报道的与抗病性相关的关键基因和通路。这些基因的鉴定为理解植物-病原体相互作用提供了新见解，也为其他药用植物的抗病育种研究提供了参考。值得注意的是，研究中发现的病原体衍生ATP合酶亚基β基因的上调，提示病原菌可能通过调节能量代谢来增强其致病性，这为开发新型杀菌剂提供了思路。

总之，这项研究通过多组学整合分析，深入解析了北苍术根腐病的分子机制，为药用植物抗病育种和可持续发展提供了重要的理论依据和实践指导。未来研究可进一步验证这些候选基因的功能，并通过基因编辑等技术创制抗病新种质，最终实现北苍术栽培的稳产高产。