Hortic Res | 南京农业大学揭示菊花多倍化增强抗病性的表观遗传新机制
- 2026-04-20 19:22:46
研究以二倍体野菊（Chrysanthemum lavandulifolium，2n=2×=18）及其秋水仙素诱导的同源四倍体株系为材料，经链格孢菌接种后发现，四倍体植株叶片病斑面积显著小于二倍体，表现出更强的黑斑病抗性，证实多倍化与野菊对链格孢菌的抗性呈正相关。
图1 链格孢菌侵染后二倍体与同源四倍体甘菊的病斑面积比较
转录组测序分析显示，链格孢菌侵染后，四倍体中鉴定出大量特异性上调基因，GO富集分析发现这些基因显著富集于真菌响应通路。进一步鉴定发现80%的真菌响应通路相关转录因子为 WRKY家族成员，且多个 WRKY 基因在四倍体中被显著激活，提示WRKYs在四倍体菊花抗链格孢菌过程中起核心作用。
全基因组甲基化测序表明，链格孢菌侵染后，四倍体基因组整体甲基化水平无显著变化，但CHH低甲基化区域（CHH hypo-DMRs）大量增加，且这些低甲基化区域主要富集于基因启动子区。进一步分析发现，四倍体中特异性上调的 WRKY 基因启动子区存在CHH低甲基化修饰，其中ClWRKY103启动子区CHH 甲基化水平显著降低，表达量显著升高。
为验证DNA甲基化的调控作用，用DNA甲基化抑制剂 5-氮杂胞苷（5-AzaC）处理二倍体野菊，结果显示处理后植株CHH甲基化水平降低，ClWRKY103被激活，同时黑斑病抗性显著增强，模拟出四倍体的抗病表型，证实DNA低甲基化通过激活WRKY基因调控菊花对链格孢菌的抗性。
功能验证表明，在二倍体野菊中过表达ClWRKY103可显著增强其对链格孢菌的抗性。DAP-seq分析发现，ClWRKY103的结合基序与拟南芥抗病关键基因AtWRKY33高度相似，其下游靶基因显著富集于真菌和细菌响应通路。双荧光素酶报告实验证实，ClWRKY103可直接结合并激活ClNPR1（SA 通路关键基因）和ClPDF1.4（JA通路关键基因）的表达，通过协同调控SA和JA信号通路构建多层抗病网络。
为验证机制的保守性，研究对神农架野菊（C. indicum）的二倍体和同源四倍体株系，以及栽培菊花‘神马’（C. morifolium ‘Jinba’，六倍体）进行分析，发现四倍体神农架野菊同样表现出更强的黑斑病抗性，且CiWRKY103启动子区CHH低甲基化并高表达。5-AzaC处理可显著激活神农架野菊和栽培菊花‘神马’中WRKY103的表达，并增强其黑斑病抗性。这表明DNA低甲基化激活WRKY103介导抗链格孢菌抗性是菊属中的保守机制。
图2 同源四倍体中CHH低甲基化激活WRKY103，增强对链格孢菌的抗性
本研究揭示了菊花多倍化通过CHH 位点特异性低甲基化激活WRKY转录因子（尤其是 ClWRKY103），进而协同调控SA和JA信号通路增强对链格孢菌抗性的表观遗传调控通路。该研究首次建立了多倍化、表观遗传重编程与植物病原菌防御之间的直接联系，不仅丰富了植物多倍化介导生物胁迫抗性的分子机理，还为利用表观遗传编辑技术（如CRISPR/dCas9-TET1）定向改良作物抗病性提供了新的思路和靶标，对菊花及其他园艺作物的抗病分子育种具有重要的指导意义。
论文第一作者为南京农业大学2025届博士毕业生余钟毓，通讯作者为南京农业大学陈发棣教授和王振兴教授。房伟民教授、蒋甲福教授、王海滨教授、刘晔副教授等参与本研究。本研究得到了国家重点研发计划（2024YFD1200503）、国家自然科学基金（32171854、32371949、32341048）、江苏省种子产业振兴工程（JBGS[2021]020）、国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-23-A18）、中央高校基本科研业务费专项（QTPY2025005）和江苏省高校重点学科建设项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1093/hr/uhag050
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About Horticulture Research
《园艺研究（英文）》（Horticulture Research）是由南京农业大学主办的学术期刊，主要刊载园艺作物的基础和理论研究，包括遗传学、育种、组学和演化、园艺作物的起源及驯化、生物技术、生物化学、生理学和细胞与分子生物学，环境互作生物学等。科睿唯安JCR2024影响因子：8.5，位于园艺一区（第1/45名），植物科学一区（第10/273名），遗传学一区（第11/191名）。2025年中科院期刊分区：位于园艺小类一区，植物科学小类一区，遗传学小类一区，农林科学大类一区（Top期刊）。2019年入选中国科技期刊卓越行动计划一期领军期刊，2024年入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊、2025年入选江苏科技期刊卓越行动计划领军期刊。
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