2022年4月11日，PNAS杂志在线发表了英国约翰英纳斯研究所（John Innes Centre） Guy Polturak和Anne Osbourn团队及其合作者题为“Pathogen-induced biosynthetic pathways encode defense-related molecules in bread wheat”的研究论文。作者通过将基因共表达网络分析与基因组挖掘相结合，确定了面包小麦中六个与防御相关的候选生物合成基因簇 （BGCs）。该研究为小麦生物胁迫反应的分子基础提供了重要的见解，并为作物改良开辟了潜在的途径。

作者使用WGCNA将疾病网络中的55646个基因根据表达量分配到69个模块中，得到每个模块的单个特征基因表达模式。为了找到通过暴露于病原体或病原体相关分子模式（PAMPs）而表现出一般性、非特异性诱导的基因，作者在七个不同的研究中对每个模块平均处理和对照之间标准化特征基因表达的差异，并对模块进行排序（图1A）。发现ME34、ME25、ME12、ME36和ME8这5个模块（即诱导特征基因最多的模块）均表现出一致的诱导（图1B），因此被选择进行进一步的研究。

接着，作者从中筛选出20个含有蛋白激酶基因，可能在生物应激反应中发挥作用。另外6个由与植物专一代谢相关的不同类型酶家族的基因组成，因此被鉴定为可能用于防御化合物合成的BGCs。这六种假定的BGCs包括两对同源簇，因此被定义为四种簇类型（1- 4），分别为聚类1(2A)、1(2D)、2(2B)、3(5A)、3(5D)和4(5D)（图1C）。两个同源聚类对分别为1(2A)和1(2D)，3(5A)和3(5D)。在6个推测的BGCs中，大多数基因都在一个模块ME25中被发现，这表明表达模式高度相似，并有可能通过一个共享的转录因子（TFs）网络来共同调控BGCs。

图1 共表达网络分析揭示了面包小麦中与防御相关的候选BGCs

水稻能产生多种二萜植物抗毒素，其生物合成途径对抗病产生重要影响。作者发现其中两个基因TaKSL1和TaCPS2在聚类1(2A)中是TPS和CPS的共表达基因。第三个基因TaKSL4在同源1(2D)聚类中被发现（图2A）。通过烟草的近亲植物Nicotiana benthamiana中TaCPS2和TaKSL1（以下简称TaCPS-D2和TaKSL-D1）的染色体2D同源序列（Chr. 2D）的瞬时表达，发现这两种酶具有功能性，质谱分别与copalol和isopimara-7,15-diene相匹配。证实了这对基因在1(2D)聚类中的活性（图2B）。在1(2D)和1(2A)簇中出现了额外的共表达CYP基因和一个UGT基因（图2A），这表明这些簇形成了病原体诱导的途径（图2C）。

图2 在面包小麦的第2组染色体上发现了产生二萜的BGCs

3型簇3(5D)包含与三萜生物合成有关的基因，例如TaOSC。TaOSC是三个细胞色素P450(TaCYP51H35、TaCYP51H37和TaCYP51H13P)和一个TaHSD的基因组成（图3A）。气相色谱-质谱联用（GC-MS）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析表明，TaOSC、TaHSD、TaCYP51H35和TaCYP51H37四种酶形成了一个顺序的生物合成途径（图3B）。接着，作者确定了BGC 3(5D)产物为ellarinacin，并绘制其生物合成途径图（图3C）。为了确定3型簇是否可能参与植物防御，作者利用同源特异性引物对BGCs 3(5A)和3(5D)中选择的基因进行RT-PCR分析，发现所有测试基因在白粉病感染的叶片中都被强烈诱导表达，但机械伤害却不能诱导表达，在其他各种小麦组织中表达很少或没有表达（图3D）。

图3 小麦簇3(5D)产生异戊醇衍生的三萜类化合物

接下来，作者分析了茉莉酸甲酯（MeJa）、水杨酸（SA）和PAMP几丁质诱导子处理小麦离体叶片后基因的表达。经分析，SA处理的叶片中TaCYP51H35基因除外，4个簇3(5D)基因(TaOSC、TaHSD、TaCYP51H35、TaCYP51H37)在MeJa、SA或几丁质处理12 h后均显著诱导基因的表达（图4B）。因此，ellarinacin簇是由生物胁迫高度诱导的，其可能在小麦对抗病原菌的反应中发挥作用。

图4 Ellarinacin BGC 3(5D) 由病原体和诱导子诱导

作者还研究了ellarinacin簇在小麦祖先的保守性。野生二粒小麦和A. tauschii各自包含一个OSC、一个 HSD 和三个 CYP51 基因，其顺序和方向与小麦相同（图5A）。因此，A. tauschii编码了完整的ellarinacin生物合成途径。利用RT-PCR技术检测了7个二穗偃麦草不同发育阶段组织中6个基因的表达，发现聚类基因通常在叶和茎基部表达最高（图5B）。对小麦穗轴病（赤霉病）和根腐病（赤霉病）的qRT-PCR分析表明，小麦穗轴病（赤霉病）是由真菌引起的。除BdOSC1外，所有聚簇基因在感染后的基因表达均显著增加（图5C）。因此，双穗短柄草Chr.3 BGC可由真菌致病菌诱导。

图5 ellarinacin-like BGCs在短柄草和小麦祖先物种中的发生和表达

综上所述，作者使用共表达网络的方法快速识别和表征面包小麦中的化合物和生物合成途径。这些簇在不同的真菌病原体和PAMPs感染的反应中高度诱导，表明这些簇在生物胁迫的化学防御中具有广谱作用。相应地，在这些簇内的共表达基因被发现是一个共享的调控网络的一部分，该网络包括各种转录因子，其与生物应激反应相关。该研究结果显着促进了对小麦化学防御的理解，开辟了增强这种重要农业作物抗病性的途径，并说明了转录网络在发现具有大型复杂基因组的植物中化学防御生物合成的能力。

  本文转载自公众号Mol Plant植物科学。文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2123299119