转录组+代谢组揭示IbPIF1基因能够提升植株木质素与萜类物质的积累量，进而增强甘薯对茎线虫病的抗性

甘薯茎线虫是一类重要植物寄生线虫，广泛分布于温暖区域；可侵染多种植物，对各类主粮作物的块根造成严重危害。甘薯茎线虫病通常会造成甘薯减产20%~50%；发病严重地块，线虫侵染可导致田间绝收。培育甘薯抗茎线虫品种的工作愈发关键。

2025年7月，中国农业大学翟红教授团队在期刊Plant Biotechnology Journal上发表了一篇题为“IbPIF1 confers stem nematode resistance by regulating secondary metabolites in sweet potato”的研究成果。本研究联合转录组和挥发性代谢组分析表明：过表达甘薯IbPIF1基因能够提升植株木质素、胼胝质与萜类物质的积累量，进而增强甘薯对茎线虫病的抗性。机制层面，IbPIF1编码蛋白可结合IbMVD基因启动子，激活该基因表达，促进萜类化合物合成。百迈客生物为该研究提供了代谢组检测与分析服务！

文章题目：IbPIF1 confers stem nematode resistance by regulating secondary metabolites in sweet potato

期刊名称：Plant Biotechnology Journal

影响因子：12.8

发表时间：2025年7月

合作单位：中国农业大学

研究方法：RNA-Seq、挥发性代谢组、遗传转化、蛋白亚细胞定位、生理生化测定

研究思路：

主要结果

茎线虫是全球危害严重的植物寄生线虫，可造成甘薯大量减产甚至绝收，植物抵御茎线虫的分子机制尚不清晰。线虫侵染后抗病品种鲁薯3中IbPIF1表达量显著高于感病栗子香。IbPIF1定位于细胞核，具备转录激活活性；转录组和代谢组分析显示IbPIF1通过上调ROS清除、木质素/胼胝质合成、茉莉酸JA通路、萜类合成相关基因和莪术醇等倍半萜代谢物的合成，增强系统免疫与细胞壁物理屏障从而抑制茎线虫活动。分子互作实验证明IbPIF1直接结合萜类合成关键基因IbMVD启动子并激活其转录，诱导萜类、木质素、胼胝质积累上升，茎线虫抗性增强。

所以说，IbPIF1作为核心转录因子，通过直接激活IbMVD促进萜类合成，同时协同JA信号、ROS清除、细胞壁加固多层防御通路，调控甘薯对茎线虫的抗性。该研究揭示甘薯抗线虫分子网络，为基因工程培育抗病甘薯提供理论靶点。

1.IbPIF1在抗感病甘薯品种中存在差异表达

本研究选取抗茎线虫品种鲁薯3、感病品种栗子香开展RT-qPCR检测。结果显示：茎线虫侵染处理后，鲁薯3中IbPIF1的表达水平显著高于栗子香，证明IbPIF1在甘薯响应线虫侵染过程中发挥关键作用。

2.IbPIF1定位于细胞核，且在酵母中具备自激活活性

转录激活实验证实IbPIF1存在转录激活活性，且激活结构域位于蛋白N端200个氨基酸区域，证明IbPIF1是转录激活因子。亚细胞定位实验证实IbPIF1是核定位蛋白。

3.IbPIF1正调控甘薯对茎线虫的抗性

分别构建IbPIF1的转基因材料。野生型植株、IbPIF1过表达株、沉默株、生长表型无明显差异。而茎线虫接种6周后，野生型与IbPIF1-Ri株系薯块几乎完全腐烂；IbPIF1-OE株仅在接种孔周边1–2cm区域少量增殖，病害未向外扩散。说明IbPIF1基因正调控甘薯对茎线虫的抗性。

4.IbPIF1增强次生代谢相关基因而抗病

对转基因材料进行转录组测序，共筛选得到4648个差异表达基因。通路富集分析显示差异基因主要参与植物-病原菌互作、激素信号、MAPK通路、萜类合成、苯丙烷代谢、活性氧清除等通路。

RT-qPCR定量结果与转录组完全吻合：IbPIF1-OE株的IbSOD、IbCAT、IbAPX、IbCPI、IbHRGP、IbPAL表达量均显著高于野生型与沉默株，证明IbPIF1正向调控甘薯多条防御通路转录。

生理生化指标测定显示，IbPIF1-OE株MDA、H₂O₂含量显著下降，SOD、CAT酶活性、木质素、胼胝质含量显著上升；

线虫侵染后，茉莉酸合成基因IbLOX、IbAOS、IbOPR3等显著上调；MeJA显著上调。说明IbPIF1通过激活茉莉酸信号通路提升甘薯抗线虫能力。

5.萜类物质积累抑制茎线虫活性

线虫侵染后，萜类合成基因IbFPS、IbTPS、IbGDS、IbMVD表达量显著升高。接种后总萜含量显著升高。非靶向代谢组分析，共检测到141种萜类（单萜、倍半萜、二萜、三萜等），其中95种萜类在侵染后大量积累。包括单萜乙酸香叶酯、12种倍半萜（檀香醇、雪松醇、法尼醛、莪术醇、β-甜没药醇、姜酮、石竹烯氧化物等）含量显著上升。

线虫趋化抑制实验表明：随着莪术醇浓度升高，茎线虫移动能力显著下降；而同等梯度法尼醛、姜酮对线虫运动无明显抑制效果。证明莪术醇等萜类化合物可直接抑制茎线虫活动。

6.IbPIF1直接结合IbMVD启动子并激活其转录

酵母单杂交（Y1H）、双荧光素酶瞬时实验、EMSA实验共同证明：IbPIF1通过识别IbMVD启动子G-box元件直接激活其转录。

7.IbMVD过表达增强甘薯茎线虫抗性

茎线虫接种鉴定显示：IbMVD-OE株抗性显著优于野生型。RT-qPCR显示：线虫侵染后萜类合成基因（IbIPI、IbFPS、IbTPS）、细胞壁抗性基因（IbPAL、IbHRGP、IbCPI）显著上调；代谢检测表明过表达株倍半萜、胼胝质、木质素含量显著高于野生型。结果说明IbMVD通过促进萜类与细胞壁防御物质合成，正向调控甘薯茎线虫抗性。

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