《Physiological and Molecular Plant Pathology》：De novo transcriptome assembly of
Piper betle and identification of genes involved in phenylpropanoid metabolism in response to
Phytophthora parasitica
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苯丙烷代谢途径在胡椒藤抗寄生壶菌感染中起关键作用，转录组测序显示病原菌侵染后相关基因显著下调，导致木质素合成减少和结构屏障破坏，酶活性检测印证了这一机制，为培育抗病品种提供理论依据。
阿巴亚·库马尔·萨胡（Abhaya Kumar Sahu）|普拉蒂克·普里亚达西·普汉（Pratik Priyadarsi Puhan）|贝达·索拉夫·贝赫拉（Beda Saurav Behera）|普纳姆·库玛丽（Punam Kumari）|普拉巴特·库马尔（Prabhat Kumar）|巴拉特·布桑·帕特奈克（Bharat Bhusan Patnaik）
印度奥里萨邦巴拉萨奥雷（Balasore）维亚萨维哈尔（Vyasa Vihar）F.M.大学生物科学与生物技术系植物应激生物学实验室，邮编756089
摘要
苯丙素途径在植物防御中起着核心作用，它通过合成木质素聚合物来增强细胞壁并在病原体入侵时形成结构屏障。由Phytophthora parasitica引起的根腐病严重影响了槟榔藤（Piper betle L.）的生长和产量，然而其背后的分子机制尚不清楚。本研究通过转录组分析发现，在P. parasitica感染后，槟榔藤出现了广泛的转录重编程，许多与防御相关的基因表达发生了变化。值得注意的是，与苯丙素代谢相关的基因在感染期间显著下调，尤其是在植物茎和叶中。与这些转录变化一致的是，参与苯丙素代谢的苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）和过氧化物酶（POD）的活性降低，同时木质素积累减少，维管系统破坏加剧。这些结果表明P. parasitica减弱了槟榔藤的苯丙素介导的防御反应，从而削弱了结构屏障，促进了疾病的发展。本研究为了解槟榔藤对P. parasitica感染的分子防御机制提供了重要见解，并为未来培育抗病槟榔藤提供了策略。
引言
Piper betle属于Piperaceae科，主要在东非和亚洲的热带国家（如印度、马来西亚、泰国、斯里兰卡、孟加拉国以及一些东南亚国家）作为商业作物种植[1]、[2]。超过2000万人依靠槟榔叶的种植、加工、运输和贸易来维持生计，这些叶子具有广泛的营养、治疗和工业用途[3]、[4]。
尽管槟榔藤具有重要的经济和文化价值，但其产量却受到土传病原体的严重影响，尤其是Phytophthora parasitica和P. nicotinae，它们分别导致根腐病和脚腐病[5]、[6]。其他真菌病原体，如Sclerotium rolfsii（茎基腐病）、Rhizoctonia bataticola（根腐病）、Colletotrichum capsica和Diaporthe tulliensis（叶斑病）也在槟榔藤中有所发现[6]、[7]、[8]、[9]。病原体入侵包括游动孢子的侵入[10]、酶的渗透[11]以及维管组织的系统性定植，导致蒸腾作用减弱、组织腐烂[12]和代谢紊乱。这会引发活性氧（ROS）和活性氮（RNS）的生成，从而损害蛋白质、核酸、脂质和碳水化合物，引起氧化应激。
植物通过复杂的防御系统来对抗病原体引起的氧化应激，该系统由苯丙素途径介导，这是次级代谢的一个重要分支[13]。这一途径对植物免疫至关重要，它能产生抗菌化合物（如木质素、香豆素和黄酮类物质），并增强植物的物理屏障以抑制病原体传播[14]、[15]。该途径受多种酶的调控，包括苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）、（羟基）肉桂醇脱氢酶（CAD）、肉桂酸4-羟化酶（C4H）和4-香豆酸：CoA连接酶（4CL）等[16]。其他植物的研究也展示了该途径对压力的响应性：例如，在Solanum tuberosum受到Rhizoctonia solani感染时，PAL和POD的活性降低[17]；而在荔枝果实对抗荔枝霜霉病时，C4H、CAD和POD基因上调[18]；在Vitis vinifera对抗Aspergillus westerdijkiae时，PAL、4CL1、4CL9和CAD1也上调以促进木质素生物合成[19]。
此外，下一代RNA测序（RNA-Seq）技术为植物-病原体相互作用的分子机制提供了深入的见解。这项技术能够发现基因、进行比较转录组学分析和进化分析，揭示代谢和调控途径的差异[20]、[21]。目前，RNA-Seq已被用于识别多种物种中与次级代谢产物生成相关的基因，包括棉花和Dendrobium officinale中的纤维素[22]、[23]、P. nigrum和Capsicum annum中的木质素[24]、[25]、西瓜中的类胡萝卜素[26]、Daucus carota中的花青素[27]、Selaginella bryopteris和Carya illinoinensis中的黄酮类物质[28]、[29]以及Camellia sinensis中的咖啡因[30]。总体而言，转录组分析是一种强大的技术，可用于揭示基因表达动态、功能特征和复杂生物过程的分子机制。
在本研究中，我们利用转录组测序来研究P. betle（Chandrakana Var.）和P. parasitica之间的分子相互作用。我们的目标是识别编码苯丙素生物合成途径代谢酶的关键基因，阐明它们在防御中的作用，并提供关于槟榔藤防御机制的分子见解。
植物材料与生长条件
在田间条件下，栽培的槟榔藤通常会感染P. parasitica，目前尚无关于抗性基因型的报道[31]、[32]。虽然一些实验性杂交品种表现出抗性，但这些品种并未被商业化种植[33]。本研究中使用的P. betle var. Chandrakana是印度东部广泛种植的地方品种，但缺乏全球范围内的系谱记录或标准化基因型信息
植物病害的加剧
与Phytophthora感染的植物相比，对照植物表现出正常的生长，而Phytophthora感染的植物叶片出现轻度黄化、扭曲、向内弯曲，7天时病害发生率超过90%（图1A-B）。此外，7天时叶片的DSI（病害严重程度指数）范围为1-60%，茎部的DSI为1-100%，而对照植物则无症状（图1C-E）。感染组织的AUDPC（病害严重程度评分）显著高于对照组（图1F）。扫描电子显微镜（SEM）观察证实了病原体的定植
讨论
槟榔藤是一种重要的经济作物，但其种植受到P. parasitica引起的根腐病的严重影响。本研究通过高质量的RNA-Seq数据进行了分析、注释和功能分类，以了解病原体侵袭期间的转录动态。
结论
本研究首次实现了对P. betle对抗P. parasitica感染的转录组水平分析。结合de novo RNA测序以及生理学、生化和组织化学分析，我们发现P. parasitica感染会引起槟榔藤的转录变化，特别是影响苯丙素代谢相关基因。然而，转录变化与PAL和POD酶活性或木质素沉积之间并不存在一致的相关性
作者贡献声明
普拉巴特·库马尔（Prabhat Kumar）：研究工作。巴拉特·布桑·帕特奈克（Bharat Bhusan Patnaik）：软件开发、数据管理。贝达·索拉夫·贝赫拉（Beda Saurav Behera）：数据可视化、方法论。普纳姆·库玛丽（Punam Kumari）：撰写、审稿与编辑、验证、研究、概念构建。阿巴亚·库马尔·萨胡（Abhaya Kumar Sahu）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据管理、方法论、研究、数据管理、概念构建。普拉蒂克·普里亚达西·普汉（Pratik Priyadarsi Puhan）：撰写、审稿与编辑、方法论、研究、数据管理
数据获取
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项工作得到了印度政府科学技术部（DST-SERB/ANRF）的资助（项目编号EEQ/2022/000273），特此表示感谢。作者感谢F.M.大学的生物资源管理与能源保护材料开发中心以及F.M.大学生物科学与生物技术系提供的实验室设施。
