近日，中国热科院生物所、热带作物生物育种全国重点实验室甘蔗逆境生物学研究组团队在甘蔗抗黑穗病性状形成机理的研究取得新进展。研究利用时序基因共表达网络（time-ordered gene co-expression network，TO-GCN）技术系统解析了甘蔗与黑穗病菌互作的调控网络，并鉴定了两个能够负调控植物抗病性的甘蔗ScCAX基因（钙离子/氢离子交换子基因）。

图1 甘蔗响应黑穗病菌侵染的时序基因共表达网络

　　甘蔗（Saccharum spp.）是世界上最重要的糖料作物，蔗糖占世界食糖产量的80%左右，在我国所占比例更是高达85%以上。由鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的甘蔗黑穗病是甘蔗产业中最为重要、传播最广的真菌病害，严重年份可造成高达20%~50%的产量损失，在极端情况下甚至会导致作物完全绝收，被称为“癌症”。其抗性由多个主效基因、众多微效基因的累积效应以及寄主、病原和环境三者之间的相互作用共同决定，这导致通过传统杂交途径育种培育抗黑穗病甘蔗品种的难度加大。近年来，时间序列转录组学已成为研究基因调控网络的有效方法，可为解析植物对环境变化的动态响应提供有价值的信息，被广泛应用于大麦、棉花、杨树等植物。但是，迄今为止，尚未见该技术在甘蔗-黑穗病菌互作中的研究报道。因此，利用时序基因共表达网络系统(TO-GCN)构建甘蔗抗黑穗病的关键代谢网络，挖掘关键抗病基因具有较为重要的理论和实践意义。

图2 甘蔗响应黑穗病侵染的调控网络

　　该研究利用两个不同抗性的甘蔗品种感染黑穗病后六个时间点的时序转录组数据，构建了时序基因共表达网络。然后，建立了碳代谢、植物激素信号转导、苯丙酮生物合成和植物病原体相互作用等代谢网络，并预测了每个子网络中转录因子（TFs）和非TFs之间的调控关系。此外，研究还从Ca2+（钙离子）信号通路鉴定了两个能够负调控植物抗病性的甘蔗ScCAX基因（钙离子/氢离子交换子基因）（ScCAX2和ScCAX3）。最后，预测了甘蔗ScCAX2/3基因在病原菌胁迫反应中的调控模型。研究将有助于进一步解析甘蔗抗黑穗病性状形成的机理。

图3 甘蔗ScCAX2/3基因在病原菌胁迫反应中的调控模型

　　该研究成果以《Transcriptional regulation of sugarcane response to Sporisorium scitamineum: Insights from time-course gene co-expression and Ca2+ signaling》为题发表于《Journal of Agricultural and Food Chemistry》。中国热带农业科学院热带生物技术研究所热带作物生物育种全国重点实验室吴期滨副研究员和中国热带农业科学院甘蔗研究中心客座研究人员张畅为该论文的共同第一作者；中国热带农业科学院热带生物技术研究所、热带作物生物育种全国重点实验室、福建农林大学阙友雄研究员为该论文的通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、热带作物生物育种全国重点实验室科研专项、中央引导地方科技发展专项、国家糖料产业技术体系、广西壮族自治区和云南省甘蔗遗传育种重点实验室开放课题等项目的资助。

　　文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.4c02123