综合转录组学和生理学分析揭示了硫营养在介导西瓜对胶状茎枯病抗性中的关键作用

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Integrated transcriptomic and physiological analyses reveal the pivotal role of sulfur nutrition in mediating resistance to gummy stem blight in watermelon

赵青|邵万晨|贾思珍|郭正兵|张曼

中国江苏省镇江市江苏农林职业学院农学与园艺系

摘要

胶茎枯病（GSB）是影响西瓜生产的一种破坏性病害。硫营养在植物防御信号传导中起着重要作用，然而，西瓜对GSB的抗性背后的具体调控机制仍很大程度上尚未明确。在本研究中，西瓜幼苗分别用不含硫的Hoagland营养液或添加了硫（0、1、2、4和8 mM）的Hoagland营养液进行处理。随后，在接种后0小时和24小时收集叶片进行转录组分析，以探讨硫对抗性品种（PI189225）和感病品种（SM1）对Stagonosporopsis cucurbitacearum差异反应的影响。结果表明，硫能够缓解病害症状，在PI189225中的效果比在SM1中更为显著。转录组分析显示，在接种后24小时，与相应的无硫对照组相比，PI189225和SM1分别有1255个和4171个差异表达基因（DEGs）。京都基因与基因组百科全书（KEGG）分析表明，PI189225中响应硫的DEGs主要富集在光合作用途径中，而SM1中的DEGs则集中在氨基酸生物合成和代谢相关途径中，如“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”、“缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解”以及“α-亚麻酸代谢”。此外，分别在PI189225和SM1中鉴定出92个和263个由硫诱导的特异性转录因子。在这两个品种中，这些转录因子主要属于锌指蛋白、MYB和AP2/ERF家族。这些发现为了解西瓜在硫营养条件下对S. cucurbitacearum反应的分子机制提供了新的见解。

引言

西瓜（Citrullus lanatus）是全球重要的园艺蔬菜作物。中国是西瓜的最大生产和消费国。2022年，西瓜的种植面积为138.41万公顷，产量为6038.61万吨，分别占全球西瓜产量的47.46%和60.41%（FAO，https://www.fao.org/）。然而，西瓜生产经常受到各种病原体的威胁。

胶茎枯病（GSB）是西瓜最严重的病害之一。据报道，GSB的致病菌是由三种系统发育上不同的真菌物种组成的复合体，即Stagonosporopsis cucurbitacearum、Stagonosporopsis citrulli和Stagonosporopsis caricae [1]。GSB可以发生在西瓜的整个生长期间，通常影响植物的茎、叶和果实，导致叶枯病、茎溃疡和果实腐烂 [2,3]，最终导致17%至43%的产量损失 [4]。已经进行了大量研究来鉴定GSB的致病菌 [5,6]、选择和评估西瓜对GSB的抗性 [7]，以及评估各种杀菌剂对病害管理的抗真菌活性 [8]。关于GSB抗性的分子机制的研究主要集中在GSB抗性基因的鉴定和定位上。基于不同的分离群体，在染色体1、3、5、6、7、8、10和11上定位了GSB抗性的数量性状位点（QTLs）[2,3,9,10]，并预测了与GSB抗性相关的候选基因。然而，很少有GSB抗性基因被功能鉴定。通过其他分子技术挖掘潜在的GSB抗性基因对于西瓜病害抗性育种至关重要。近年来，已发布了S. cucurbitacearum（胶茎枯病的致病菌）的全基因组序列 [11]，这有助于探索西瓜中的分子相互作用蛋白并解释其分子抗病机制。

硫是植物生长和发育所需的重要大量营养元素 [12]。硫不仅是蛋白质组成的重要成分，而且在合成含硫氨基酸（如半胱氨酸和甲硫氨酸）方面也至关重要 [13]。硫缺乏会抑制蛋白质合成 [14]。研究表明，补充硫可以增加小麦中的蛋白质含量 [15] 并调节卷心菜中的芥子苷合成 [16]。此外，硫参与光合作用，并以硫脂的形式形成叶绿体的类囊体层。它还是铁蛋白的组成部分，并参与暗反应中的二氧化碳还原过程。硫氧还蛋白在光合作用中具有电子传递的功能 [17]。先前的研究表明，硫缺乏会扰乱光合作用系统，进而影响叶绿素的产生和蛋白质合成，导致植物干物质和产量下降，并增加植物对胁迫和病原体攻击的敏感性 [[18], [19], [20]]。高剂量施用硫已被证明可以增强植物对病原体（如Xoo/Xoc [21]、Rhizoctonia solani [22] 和 Uncinula necator [23]）的抗性。然而，关于硫在西瓜抗病过程中的调控作用的研究较少。在这项工作中，探讨了硫对不同抗性西瓜品种对S. cucurbitacearum感染的影响。对感染S. cucurbitacearum的抗性和感病西瓜幼苗的叶片进行了转录组分析，并分析了硫特异性诱导的转录本。

章节片段

植物材料和Stagonosporopsis cucurbitaceum接种

将GSB抗性品种‘PI189225’和GSB感病品种‘Sumi No.1’（SM1）的种子播种在装有硅砂（不含硫）的培养皿中，并在生长室中培养（16小时光照/8小时黑暗，25±1°C，70%湿度）。每个培养皿含有十六株PI189225幼苗和十六株SM1幼苗。三个培养皿构成一个生物学重复，实验共设置了三个重复。发芽两周后，将幼苗分为五个实验组。

施用硫可增强西瓜对胶茎枯病的抗性

如图1所示，接种了S. cucurbitacearum的西瓜幼苗的生长情况在五个不同硫浓度（0、1、2、4、8 mmol/L）处理组与对照组之间存在显著差异。随着硫浓度的增加，幼苗的抗性显著增强（图1a）。对于GSB抗性品种PI189225，病害指数从60%下降到18%，表明硫有效促进了植物生长并缓解了病害

讨论

植物的生长和发育依赖于硫的供应，不同的植物种类和发育阶段是影响所需硫量的重要因素 [14]。当植物在营养生长期缺硫时，它们无法提供足够的硫来支持新组织和器官的生长，导致这些器官中的硫含量远低于成熟组织，从而导致新叶变黄

结论

本研究利用转录组分析探讨了硫诱导的西瓜抗胶茎枯病抗性机制。施用硫不仅促进了植物生长，还在S. cucurbitacearum感染期间显著增强了西瓜的抗性，可能是通过调节抗氧化酶活性实现的。研究发现，2 mmol/L的硫浓度对于有效抑制病害最为有效。转录组分析揭示了

临床试验编号

不适用。

伦理、参与同意和发表同意声明

不适用。

资助

本研究得到了中国江苏农林职业学院（项目编号2021Kj38）和江苏省自然科学基金（BK20231387）的资助。

CRediT作者贡献声明

赵青：数据管理、资金获取、撰写——审稿与编辑。邵万晨：数据管理、调查。贾思珍：方法学。郭正兵：方法学。张曼：概念构思、资金获取、撰写——初稿。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。