PBJ | 西北农林文颖强课题组揭示葡萄与白粉菌互作的分子基础

近日Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了由西北农林科技大学文颖强课题组及其合作团队撰写的“Genomic and transcriptomic analyses provide insights into Erysiphe necator pathogenicity and grapevine resistance mechanisms”论文。该团队首先在2016年分离鉴定了葡萄白粉菌强致病性生理小种Erysiphe necator NAFU1(En. NAFU1)。在此基础上，研究通过组装高质量的En. NAFU1菌株基因组，鉴定出248个候选分泌效应因子（CSEPs），并结合不同侵染时间点的转录组分析，揭示了白粉菌在侵染过程中的基因表达动态。研究发现，效应因子CSEP118通过与葡萄硫氧还蛋白VviTrxz互作，负调控寄主免疫。进一步通过比较感病品种‘赤霞珠’和抗病野生葡萄‘白水-40’的转录组，鉴定出转录因子VviTCP14作为葡萄抗白粉病的负调控因子，其沉默可显著提高抗性相关基因表达及芪类物质积累。该研究为解析葡萄与白粉菌互作的分子机制提供了重要的基因组资源和新见解。

葡萄白粉病由专性活体营养型真菌Erysiphe necator引起，是葡萄生产中最具破坏性的病害之一，严重影响果实产量与品质(Yan et al. 2025; Zhang et al. 2025)。植物通过PTI和ETI两层免疫系统抵御病原菌入侵，病原菌则通过分泌效应因子干扰寄主免疫(Jones and Dangl 2006; Dodds and Rathjen 2010; Ngou et al. 2021; Yuan et al. 2021)。在植物病害研究中，病原菌效应因子与寄主免疫调控机制是当前植物病理学的热点。在葡萄和白粉菌互作机制的研究中，白粉菌的致病机制尚不明确，尤其缺乏高质量基因组信息和系统的转录组分析(Jones et al. 2014; Zaccaron et al. 2023)。西北农林科技大学文颖强教授课题组通过基因组与转录组联合分析，构建了高质量的En. NAFU1基因组，系统鉴定了其效应因子，并揭示了效应因子CSEP118在葡萄和白粉菌互作中的机制及VviTCP14在调控葡萄抗病性中的作用。全文主要研究结果如下：

1. 高质量En. NAFU1基因组组装及效应因子鉴定

研究者利用PacBio HiFi和Illumina测序技术，获得了En. NAFU1菌株的高质量基因组，组装大小为69.93 Mb，包含17条contigs，N50为4.29 Mb（图1A）。共注释到12,667个蛋白编码基因，其中重复序列占比26.31%，GC含量为40.05%。BUSCO评估显示基因组完整性达99%。通过与已报道的E. necator FRAME01等菌株比较，发现En. NAFU1在基因数量、重复序列比例、效应蛋白组成等方面存在显著差异（图1B-C）。利用信号肽和跨膜结构域预测，共鉴定出248个候选分泌效应因子（CSEPs），其中多数长度小于600个氨基酸，并可分为8个家族（图1D-E）。

图1葡萄白粉菌En. NAFU1基因组组装和效应因子鉴定

 

2. 转录组分析揭示白粉菌En. NAFU1侵染过程中的基因表达动态

为了观察白粉菌抑制葡萄免疫过程，在感病葡萄‘赤霞珠’和抗病葡萄‘白水-40’叶片表面接种En. NAFU1孢子。在接种12 h后，En. NAFU1的孢子在两个葡萄叶片表面均未萌发；在接种24 h后，En. NAFU1 的孢子在‘赤霞珠’葡萄叶片表面萌发，发育出附着孢，且侵染钉刺入葡萄细胞，形成吸器，生长初生菌丝，而在‘白水-40’葡萄叶片表面，En. NAFU1的孢子发育出附着孢，但未观察到其刺入寄主细胞，无初生菌丝生长；在接种48 h后，在‘赤霞珠’葡萄叶片表面，En. NAFU1的初生菌丝长度更长，而在‘白水-40’葡萄叶片表面，白粉菌的附着孢较接菌12 h后更加膨大，但仍未观察到初生菌丝的生长；在接种72 h后，白粉菌在‘赤霞珠’叶片表面菌丝更长且生长出次生菌丝，在‘白水-40’葡萄叶片表面仅生长出较短的初生菌丝（图2A）。在接种10 d后，‘赤霞珠’叶片表面覆盖白粉菌菌丝，而‘白水-40’葡萄叶片嫩绿，无白粉菌生长；组织化学染色观察发现，‘赤霞珠’叶片表面覆盖着密集的白粉菌菌丝，‘白水-40’叶片表面白粉菌菌丝较稀疏，且在白粉菌侵染位置有过氧化物的积累和胼胝质的沉积，但在‘赤霞珠’葡萄叶片表面无此现象（图2B-C）。这表明En. NAFU1抑制了‘赤霞珠’葡萄的免疫系统，但激发了‘白水-40’葡萄的抗病反应。

 

为了探索白粉菌侵染过程中的基因表达动态，对感病品种‘赤霞珠’和抗病野生葡萄‘白水-40’在接种白粉病菌后的0、12、24、48、72小时进行转录组测序。结果显示，白粉菌在侵染过程中有1,252个基因显著诱导表达，其中15.58%为CSEPs（图2D-F）。进一步分析发现，CSEPs在侵染不同阶段呈现不同的表达模式，分为8个聚类（图2G）。在抗、感寄主中，白粉菌的基因表达谱存在显著差异，提示白粉菌在不同寄主中采取了不同的侵染策略。

图2 白粉菌侵染‘赤霞珠’和‘白水-40’转录组分析

 

3. CSEP118靶向葡萄硫氧还蛋白VviTrxz抑制寄主免疫

通过对248个CSEPs进行功能筛选，发现CSEP118在抗病葡萄‘白河-35-1’中诱导细胞坏死（图3A）。信号肽分泌验证表明CSEP118具有分泌功能（图3B）。通过酵母双杂交、Co-IP和BiFC等方法，证实CSEP118与葡萄硫氧还蛋白VviTrxz特异性互作（图3E–3G），且互作区域位于VviTrxz的C端（图3H）。基因沉默与过表达实验表明，VviTrxz负调控葡萄对白粉病的抗性（图3I-J）。

 

图3 CSEP118与葡萄硫氧还蛋白VviTrxz互作调控葡萄抗病性

 

4. 抗、感病葡萄在侵染过程中的转录组差异分析

比较抗病‘白水-40’与感病‘赤霞珠’在侵染各时间点的基因表达，发现抗病葡萄中更多免疫相关基因被激活（图4A-C）。抗病葡萄中ROS清除相关基因下调，胼胝质合成酶基因上调（图4E）。多个转录因子家族（WRKY、MYB、TCP等）在两种寄主中呈现相反表达趋势（图4F），其中VviTCP14在感病品种中表达显著上调，提示其可能负调控抗性。

 

图4‘赤霞珠’和‘白水-40’响应白粉菌侵染转录组分析

 

5. VviTCP14负调控葡萄抗白粉病

为了进一步探索VviTCP14在调控葡萄白粉病方面的功能，获得了VviTCP14-RNAi稳定转基因葡萄，发现其叶片白粉病症状明显减轻，ROS积累和胼胝质沉积增强，孢子数量显著下降（图5）。转录组分析显示，沉默VviTCP14后，多个抗病相关基因及芪合成酶基因上调，总芪类物质含量显著升高（图6），说明VviTCP14通过调控芪类代谢负调控葡萄抗病性。

图5 VviTCP14-RNAi转基因葡萄抗病性分析

图6 VviTCP14-RNAi转基因葡萄抗病相关基因表达分析

 

该研究首次报道了来源于中国的葡萄白粉菌E. necator NAFU1的高质量基因组，系统揭示了其效应蛋白和侵染过程中的表达动态，鉴定并验证了关键效应蛋白CSEP118及其靶标VviTrxz的功能，揭示了转录因子VviTCP14在葡萄抗白粉病中的负调控机制（图7）。研究结果为葡萄抗白粉病育种提供了重要基因资源和理论依据。

图7葡萄和白粉菌互作机制模式图

 

本研究由西北农林科技大学园艺学院已毕业博士穆波及其他研究生唐睿欣、滕兆林、陈锦夫、崔凯程、韦峰、孔文翔等共同完成，西北农林科技大学文颖强教授为论文通讯作者，同时本研究得到西北农林科技大学冯嘉玥副教授、美国马里兰大学萧顺元教授和北京市农林科学院徐香楠博士的共同悉心指导。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

 

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70646

References:

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Jones JD, Dangl JL (2006) The plant immune system. Nature, 444: 323–329.

Jones L, Riaz S, Morales-Cruz A, Amrine KC, McGuire B, Gubler WD, Walker MA, Cantu D (2014) Adaptive genomic structural variation in the grape powdery mildew pathogen, Erysiphe necator. BMC Genomics, 15: 1081.

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