胡椒-辣椒疫霉菌互作的转录组分析及抗病基因挖掘

Piper nigrum L., commonly known as black pepper, is one of the most popular spices. It is often used in cooking and the preservation of food and even has medicinal properties. The foot rot disease, caused by Phytophthora capsici, is a major yield limiting factor of black pepper around the world. Therefore, it is very important to obtain resistant cultivars of black pepper by biotechnological breeding. In this study, based on our previous researches, the transcriptome under pathogen infection treatment (0h, 4h, 12h, 24h and 48h) using the technique of RNA-seq is to be assayed in resistant material (Piper flaviflorum) and susceptible material (Piper nigrum cv. Reyin-1). The goal of this study is to clarify to the resistant mechanism of phenylpropanoid metabolic pathway and then identify the defense-related key genes by comparative analysis among the transcriptome under horizontal and vertical levels, and combining with the enzyme activity and structure analysis. Important candidate genes might provide new strategies to improve resistance to P. capsici in balck pepper. This project will generate an important theoretical and practical significance for black pepper genetic improvements.

胡椒是世界上最重要的香辛料作物，具有重要的经济价值和发展前景，我国是第五大生产国。目前，由辣椒疫霉菌侵染引起的胡椒瘟病已成为胡椒生产的最主要病害，对其产业良性发展造成了严重影响。因此，了解胡椒与辣椒疫霉菌互作的分子机制，分离抗病关键基因并利用基因工程技术对品种进行抗性改造，已成为当前胡椒育种研究中亟待开展的内容。项目组选用不同抗瘟病种质黄花胡椒（高抗瘟病）和热引1号胡椒（高感瘟病）为研究对象，进行不同种质及抗/感种质不同侵染时间的RNA-seq分析，筛选苯丙烷代谢途径差异基因并进行功能验证。同时，结合关键酶活和组织结构研究，阐明苯丙烷代谢途径抗病机理，可为今后胡椒遗传改良、转基因育种等奠定基因和技术基础。

胡椒瘟病是由辣椒疫霉菌引起的土传真菌病害，严重时造成棉株死亡，是当前影响胡椒产业发展的主要病害之一。了解胡椒与辣椒疫霉菌互作的分子机制，分离抗病相关基因并利用基因工程技术对现有胡椒品种进行抗性改造，已成为当前胡椒分子生物学研究的重点内容之一。本研究通过大规模测序的RNA-Seq技术研究胡椒抗辣椒疫霉菌机制，获得3828个差异基因；对这些差异表达基因进行GO功能富集分析发现，它们主要参与代谢类相关途径和应对外界的刺激相关反应。对其中参与植物抗病免疫反应信号传导途径的四类基因包括富含亮氨酸重复的类受体激酶、激素信号路径相关基因、转录调控基因及次生代谢苯丙环类路径相关基因进行了深入分析。研究表明:绝大多数苯丙环类物质代谢路径基因都参与了胡椒与辣椒疫霉菌的分子互作，并在抗病种质和感病种质中均受辣椒疫霉菌诱导。但在抗病材料中这些基因被诱导的速度和表达水平都高于感病的种质。酶活检测的结果与基因表达分析的结果相似。采用组织化学检测的方法对接菌前后的木质素沉积和维管结构的变化进行了比较分析，结果显示抗病材料的木质素合成增强并在次生壁中的积累和沉积使得维管结构增强了对病原菌的抗性，在黄花胡椒对辣椒疫霉菌的抗性中起着重要作用。最终克隆得到相关基因并构建了胡椒VIGS基因验证体系，为胡椒遗传改良、转基因育种等奠定了基因和技术基础。