植物病原体，包括病毒、细菌、真菌及卵菌等，在自然环境和农业生态系统中普遍存在，并对植物生长造成破坏性影响，从而对全球植物生物多样性和粮食安全构成威胁。它们不仅会干扰植物的正常生长发育进程，导致植物外观受损、产量与品质下降，还可能间接危及人类健康。在这场无声而激烈的较量中，病原体持续尝试通过掠夺宿主细胞营养以实现生存与繁衍，与此同时，植物宿主也在不断进化出各种防御机制来有效抑制病原体的增殖活动。

1. 植物对病原体的响应机制

植物通过感知病原体相关的分子模式（PAMP）来识别病原体。这些PAMP包括细菌的鞭毛蛋白、脂多糖（LPS）和胞质壁蛋白等。一旦植物识别到病原体，就会触发免疫反应，包括局部和系统的防御反应。植物的局部防御反应是在感染部位，植物会形成超敏反应（HR）细胞死亡现象，以阻止病原体的扩展。此外，植物还会分泌细胞壁强化物质，如木质素和羟基苯丙酮酸酯，以增强细胞壁的防御能力。植物的系统防御反应是植物在受到病原体攻击时，会产生一种系统性的防御反应。这包括激活植物的免疫系统，如产生并释放一系列免疫相关激素（如水杨酸、乙烯和茉莉酸等），以及诱导抗病基因的表达。这些基因编码防御相关的蛋白质，如病程相关蛋白（PR蛋白）和抗菌蛋白等。植物激素在植物对病原体的响应中发挥重要作用。例如，水杨酸可以诱导植物产生防御反应，而乙烯则可以促进植物生长和防御反应的平衡。

2. 病原体侵染植物的策略

病原体能够分泌毒素，这些毒素可以破坏植物细胞或组织结构，进而实现对植物的侵染。例如，细菌和真菌可分泌多种类型的毒素，如有机酸、肽类和生物碱等，这些物质不仅能损害植物细胞壁，抑制其生长，干扰其代谢过程，还能干扰植物内部信号传导系统，从而影响其生理功能。此外，病原体还能够通过抑制植物的免疫反应来逃避被识别和防御。例如，某些病毒可以通过抑制植物基因表达、干扰植物信号传导机制等方式削弱植物的免疫反应能力。另外，真菌效应因子也能直接影响植物的生理过程，导致植物生长发育的改变。这些效应因子作用于植物时，会干扰激素平衡、酶活性以及基因表达等多个层面，最终导致植物生长发育的显著变化。

转录组分析揭示了禾谷镰刀菌作为根病原体的感染策略

文章题目：Transcriptome analysis reveals infection strategies employed by Fusarium

graminearum as a root pathogen

发表期刊：Microbiological Research  

发表时间：2021.11.15

作者单位： The University of Sydney

通讯作者：Kemal Kazan

真菌病原体禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum, Fg）能够侵染谷物作物的地上部分和根部，引发诸如赤霉病、苗枯病、冠腐病以及根腐病等多种疾病。这些病害不仅导致谷物产量大幅度减少，还伴随着霉菌毒素DON（脱氧雪腐镰刀菌烯醇）的污染，DON是一种由该病原体产生的具有毒性的三羟基酸代谢产物，同时也是其主要致病因子。全球范围内，由于Fg引起的损失已高达数十亿美元，严重威胁了粮食生产和安全。

尽管关于Fg对植物地上部分的影响已经有了广泛的研究，但对其在根部感染过程的认识却相对匮乏。本文的主要目的是通过转录组分析来阐明Fg在侵染谷物二穗短柄草（Brachypodium disachyon，Bd）根系时所采用的感染策略。

材料处理：5天龄的二穗短柄草植株分别接种了野生型（WT）和ΔTri5突变体Fg，接种后培养5天，随后收集了接种了野生型Fg（标记为WT+Bd）和ΔTri5突变体（标记为ΔTri5 +Bd）的二穗短柄草根部样本，同时收集了单独培养的野生型Fg（标记为WT only）和ΔTri5突变体（标记为ΔTri5 -only）菌体样本。

实验设计：

转录组测序：对2个接种组和2个单菌组进行转录组测序，并对转录组数据进行差异基因分析、功能注释和富集分析；

生理指标测定：检测Fg接种后二穗短柄草的根以及真菌体内的激素含量。

转录组分析结果显示，相较于仅培养Fg的对照组，接种了Fg的二穗短柄草根部中共检测到2049个差异表达基因（DEGs），其中超过30%的DEGs编码次级代谢酶、分泌蛋白、碳水化合物活性酶和转运蛋白。进一步将Bd根部感染期间Fg的DEGs与已知小麦地上部感染时Fg的DEGs进行对比，揭示出病原体在不同宿主组织定植过程中运用了共同及特有的感染策略。

为深入探究毒力因子DON在感染过程中的作用，本研究对比了ΔTri5 DON突变体菌株与野生型Fg菌株感染Bd根部后的转录组数据，识别出788个DEGs。功能富集分析显示，这些基因主要集中在碳化合物代谢、重金属离子运输、疾病毒力与防御机制以及磷酸盐稳态通路等方面。

此外，针对激素在Fg感染Bd根系中可能的作用进行了探讨，发现茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）、赤霉素（GA）和生长素（IAA）合成相关基因在野生型Fg和突变体菌株中表现出差异表达，并且，在感染Bd根部的Fg WT或ΔTri5菌株体内，激素水平如JA、SA和IAA均发生了显著变化。这表明激素在Fg侵染Bd根系过程中起着关键性作用。

总之，尽管真菌毒素DON并非真菌致病所必需，但在根部侵染过程中广泛影响多种真菌生理过程并与寄主反应相互作用。部分真菌胁迫和防御相关基因的表达有助于病原菌应对植物的防御反应。本文的研究成果对于深入理解Fg侵染根部的具体机制具有重要意义，并为进一步开发新的遗传工具以对抗谷物病原体提供了有价值的信息。

图1 Bd根定殖过程中Tri5突变体中Fg基因的表达。

超微结构观察和转录组分析揭示了青霉菌入侵苹果伤口的机制

文章题目：Ultrastructural observation and transcriptome analysis provide insights into mechanisms of Penicillium expansum invading apple wounds

发表期刊：Food Chemistry  

发表时间：2023.1.31

作者单位：江苏大学食品与生物工程学院

通讯作者：张红印

扩展青霉（Penicillium expansum）是一种导致水果，尤其是苹果，在采后阶段大量损失的重要病原体，并且是食品中patulin毒素的主要来源。尽管国际癌症研究机构IARC已将patulin归类为第3类物质，认为其对人体不具有致癌性，但patulin仍然可能污染多种食品，特别是苹果及其衍生产品如果汁、果酱和葡萄酒等。至今为止，由扩展青霉导致的苹果蓝霉病已引起了新鲜水果产业及水果加工行业的广泛关注。在水果感染过程中，特别是在早期阶段，由于果肉组织柔软多汁，准确获取样本较为困难，因此关于扩展青霉在整个苹果组织生命周期中的行为模式尚不完全清楚。

本研究旨在深化我们对扩展青霉的生活史以及它在引发苹果蓝霉病时所表现出的毒力机制与疾病发展过程的理解，并为进一步寻找潜在的基因或蛋白质作为控制蓝霉病的靶标提供理论基础。

材料处理：在已达到成熟的苹果上均匀地划出3个伤口，并在每个伤口处接种30 μL 扩展青霉分生孢子悬浮液。

实验设计：

转录组测序：接种12小时后，将扩展青霉分生孢子悬浮液作为对照组（C），接种苹果后的样品作为处理组（T），对这两组样本进行转录组测序，对转录组数据进行差异基因和功能注释、富集分析；

超微结构观察：对接种扩展青霉0、4、8、12、20、28和36小时的苹果分别进行光学显微镜和扫描电镜显微镜观察。

光学显微镜与扫描电子显微镜共同观察了扩展青霉在苹果伤口感染过程中的形态演变。研究揭示，在4小时内，分生孢子开始膨胀并分泌可能的疏水蛋白；8小时后孢子开始萌发；12小时，菌丝已形成；36小时，形成了分生孢子梗，这对于防止二次孢子污染至关重要。

转录组分析将12小时苹果组织内以及液体培养基中扩展青霉的转录组数据进行了比较，共鉴定到3168个上调差异基因和1318个下调差异基因。功能分析显示，与MAPK信号通路、自噬途径、细胞壁降解、麦角甾醇生物合成、pH调节及扩展青霉素合成相关的基因被显著诱导表达。这表明在接种扩展青霉后，苹果组织受到信息素、细胞壁应激反应、渗透压变化、营养限制、酸性环境以及果胶含量增加等多种因素的影响。

进一步分析显示，参与麦角甾醇生物合成的相关基因erg-4、are2、FPPS、ERG7、ERG13、ARE2和erg5上调，可能暗示这些基因在扩展青霉侵染苹果并释放毒力因子的过程中起到重要作用。因此，这些基因可视为未来针对控制扩展青霉感染的潜在靶标。

图2 扩展青霉在与苹果伤口早期相互作用过程中的变化。

稻瘟病菌侵染植物的转录组景观揭示了时间共调控和结构保守的效应因子家族

文章题目：The transcriptional landscape of plant infection by therice blast fungus Magnaporthe oryzae reveals distinct families of temporally co-regulated and structurally conserved effectors

发表期刊：Plant Cell （IF=11.6）

发表时间：2023.2.18

作者单位：英国塞恩斯伯里实验室

通讯作者：Nicholas J Talbot

稻瘟病是当前严重影响水稻生产的重要限制因素之一。稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）已经进化出一套机制，能够突破水稻叶片的外层角质层，并成功侵入到水稻活体组织内部。在这个过程中，稻瘟病菌经历了一系列形态变化，在叶片表面分化形成一种特殊的侵染结构——附着胞，紧接着其侵入性菌丝穿透水稻细胞壁并进一步在细胞内增殖。

效应因子作为一类由病原菌分泌的蛋白质，可以与植物免疫系统的相关蛋白相互作用，以抑制宿主植物的防御反应，从而有利于病原菌在植物体内繁殖和扩展。然而，目前对稻瘟病菌在侵染水稻过程中所涉及的具体效应因子及其功能机制的研究不够深入和清晰。

材料处理：本研究采用两种水稻品种：籼稻CO39（中度易感），粳稻Moukoto（易感），分别进行喷雾侵染和叶滴侵染8、16、24、48、72、96、144小时。

实验设计：

转录组测序：对喷雾侵染和叶滴侵染8、16、24、48、72、96、144小时的样本进行转录组测序，对转录组数据进行差异基因，功能注释、富集分析，SignalP，EffectorP，DeepRedEff和WGCNA分析；

验证试验：对筛选到的效应因子进行表达检测、界面动态检测和定位分析。

转录组数据显示，相较于喷雾侵染组，叶滴侵染组中真菌转录本的比例更高，这表明叶滴侵染状态更能够准确反映感染的真实情况。通过运用WGCNA方法分析不同感染时间点的基因表达模式，我们发现各个模块内基因的表达特征与其在侵染过程中的生物学功能相一致。

进一步对各模块内的差异基因进行富集分析，发现在病原菌从侵入性生长至坏死性生长转变的过程中，植物体内基因表达的主要调控变化与初级和次级代谢途径的激活或抑制紧密相关，这一过程主要发生在病原菌由依赖宿主营养的增生阶段过渡到引发宿主细胞死亡的坏死性生长阶段。

通过SignalP、EffectorP以及DeepRedEff预测工具，我们识别出546个在水稻宿主体内被诱导表达的Mep效应因子基因，并结合WGCNA分析了这些Mep效应因子在不同保守结构域上的表达模式，结果显示具有结构保守性的候选效应因子在侵染期间表现出显著的时间共表达特征。

实验验证过程中发现，Mep1在外质体中表达，位于真菌细胞壁与植物质膜之间；而Mep3仅在感染期间定位在生物营养界面复合物（BIC）上。在稻瘟病菌的侵染进程中，Mep效应因子通过两种不同的分泌机制被释放到邻近细胞，破坏膜完整性，进而导致宿主细胞活力丧失。

本研究构建了稻瘟病感染过程的转录调控网络，详尽展现了从初始接种病原菌直至疾病症状显现整个阶段中病原基因的表达动态变化，并成功获得了关于稻瘟病菌效应因子的全面数据库。

图3 时间共表达分析揭示稻瘟病菌侵染过程中病原基因表达的10个模块。

目前已有很多研究将转录组和其他组学数据整合，通过多组学联合分析来探究不同物种对病原体的响应机制，但以往的研究主要集中在差异基因和差异代谢物层面，然而植物体内对病原体的反应是一个受多重调控的复杂网络调节的过程，如今，借助全长转录组和Direct RNA-seq技术，我们可以从转录本水平和表观修饰层面深入剖析，在病原体胁迫下植物体内的可变剪切事件、APA位点、m6A甲基化修饰、m5C甲基化修饰、假尿苷修饰和Poly(A)尾长度的变化，通过将这些多层次的分析结果与转录组数据相结合，有助于我们更全面地理解植物抗病的调控网络，挖掘关键调控基因，为后续抗病品种培育的研究提供有力的支持。

图4. 多组学解析植物抗病胁迫机制研究思路

参考文献：

Ding Y, et al. Transcriptome analysis reveals infection strategies employed by Fusarium graminearum as a root pathogen. Microbiological Research. 2022.

原文链接一：//doi.org/10.1016/j.micres.2021.126951

Wang Y, et al. Ultrastructural observation and transcriptome analysis provide insights into mechanisms of Penicillium expansum invading apple wounds. Food Chemistry. 2023

原文链接二：//doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.135633

Yan X, et al. The transcriptional landscape of plant infection by the rice blast fungus Magnaporthe oryzae reveals distinct families of temporally co-regulated and structurally conserved effectors. Plant Cell. 2023.

原文链接三：//doi.org/10.1093/plcell/koad036