细胞壁蔗糖转化酶调控番茄抗不同寄生型病害的分子机制研究—以灰霉病和叶霉病为例

Sucrose metabolism enhances plant resistance to pathogen infection through both providing energy and carbon skeleton for plant defense responses, and triggering the expression of pathogenesis-related (PR) genes. As one of sucrose-degrading enzymes, cell wall invertase (CWIN) plays positive roles in plant defense against necrotrophic pathogens, but negative roles in plant-biotroph interaction. However, it remains elusive about molecular mechanisms underlying CWIN-mediated plant defense responses, especially why CWIN exerts different roles in plant resistance to biotrophic and necrotrophic pathogens. Biotroph Cladosporium fulvum (Cook) Ciferri and necrotroph Botrytis cinerea are two important pathogens in tomato. In this research, two transgenic tomato lines will be employed, in which the activities of CWIN are up-regulated and down-regulated, respectively. The following issues will be explored in this research: 1) Effects of changes in CWIN activities on tomato resistance to Cladosporium fulvum (Cook) Ciferri and Botrytis cinerea; 2) Cell biological and physiological basis for the CWIN-mediated different responses of plants to these two types of pathogens. To address this issue, the thickness and composition of cell wall, the content of H2O2 and SA/JA, the incidence of programmed cell death (PCD) and stomata conductance will be investigated. 3) By using transcriptome sequencing, molecular mechanisms and key genes responsible for the different roles of CWIN in plant resistance against biotrophic and necrotrophic pathogens will be uncovered and identified.

蔗糖代谢可为植物防卫反应提供碳骨架和能量，还可通过糖信号途径调控抗病基因表达。研究表明，水解蔗糖的细胞壁蔗糖转化酶（CWIN）在植物抗死体营养型病害中发挥积极作用，而在植物抗活体营养型病害中发挥负面作用。然而，目前仍不清楚CWIN调控植物对两种寄生型病害不同抗性反应的分子机制。灰霉病和叶霉病是影响番茄生产的重要病害，前者为死体营养型病害，后者为活体营养型病害。本项目以CWIN活性上调和下调的两个转基因番茄为材料，研究：1）CWIN调控番茄对灰霉病和叶霉病不同抗性反应的细胞学和生理生化基础，包括细胞壁厚度、活性氧和SA/JA含量、PCD、气孔导度和WRKY因子等；2）通过转录组测序，阐明CWIN调控番茄对两种病害不同抗性反应的分子机制，并发掘导致不同抗性反应的关键抗病基因。本项目的开展将初步揭示CWIN调控植物对两种寄生型病害不同抗性反应的分子机制，并为番茄抗灰霉病和叶霉病育种提供理论指导。

蔗糖分解代谢在植物抗病中发挥着重要作用。目前研究集中于细胞壁蔗糖转化酶（CWIN）对植物抗病性的调控。有研究发现CWIN可增加植物抗病性，但也有研究发现CWIN会降低植物抗病性。为解决这一问题，本项目以CWIN活性上调的转基因番茄为材料，研究其对死体营养型病菌灰霉菌（Botrytis cinerea）和活体营养型病菌Pst DC3000两种不同类型病菌抗性之间的差异，以及造成这种差异的生理生化和分子机制，并最终筛选出在CWIN调控番茄对死体营养型和活体营养型病害不同抗性反应中发挥关键作用的基因。研究发现：（1）CWIN活性上调可增加番茄对死体营养型病害B. cinerea的抗性，但却会降低番茄对活体营养型病害Pst DC3000的抗性。（2）CWIN活性上调可显著降低灰霉病菌接种后叶片中H2O2积累和程序性细胞死亡（PCD）的发生，但会增加Pst DC3000接种后叶片中H2O2积累和PCD的发生。（3）无论接种灰霉菌还是Pst DC3000，转基因番茄叶片的己糖（葡萄糖和果糖）含量和己糖/蔗糖比值在接种早期（0 hpi）均显著低于WT番茄。然而，转基因番茄的己糖含量和己糖/蔗糖比值随后快速上升，导致两基因型番茄之间在接种灰霉病菌12 hpi时已没有显著差异；而接种Pst DC3000时，转基因番茄的己糖含量和己糖/蔗糖比值可以较长时间维持在显著较低的水平（0-24 hpi）。此外，无论接种灰霉菌还是Pst DC3000，CWIN活性上调均可增加接种早期（0 hpi）叶片中的JA含量和JA相关抗病基因的表达。（4）转录组分析也表明，无论接种灰霉病菌还是Pst DC3000，两基因型番茄在细胞死亡、信号传导和JA途径方面均存在显著差异。因此，CWIN可能通过影响PCD、己糖信号和JA信号途径来调控番茄对不同类型病菌的产生不同的抗病性反应。此外，转录组分析还鉴定出了钙依赖蛋白激酶基因(CDPK)、乙烯信号途径基因等抗病相关基因的表达在两基因型番茄间也存在显著差异。本项目的研究结果不仅初步揭示了 CWIN 调控植物对两种营养型病害不同抗性反应的生理生化和分子机制，而且可为番茄抗病育种提供理论指导。