小麦玉米两熟高效生产全国重点实验室/河南农业大学郑文明、程琨与宋鹏宇团队揭示小麦抗叶锈的组成型免疫机制

小麦养活了全球相当一部分人口，叶锈病却年年盯着它的叶片。这种病由专性活体寄生的叶锈菌（Puccinia triticina，Pt）引起，流行年份可造成15%到50%的产量损失。育种上长期依赖主效抗病基因，尤其是编码NLR受体的那类，它们能对特定菌株触发强烈免疫，问题是叶锈菌变异快，主效基因投入商用没几年就常被攻克。于是有人把目光转向更持久的抗性。叶锈菌必须完成从穿透角质层、形成附着胞，到建立第一个吸器取食的早期过程，这段时间是它最脆弱的窗口。此前的小麦-锈菌研究大多盯着48小时以后的侵染阶段，看吸器功能或过敏性细胞死亡，病菌建立吸器之前宿主到底怎么拦，反而缺少系统的转录证据。

2026年，河南农业大学生命科学学院、小麦-玉米两熟高效生产重点实验室的郑文明、程琨与宋鹏宇团队在《Plant, Cell & Environment》发表了题为“Comparative Transcriptomics Reveals Constitutive Immunity and Divergent Defence Strategies in Wheat against Leaf Rust”的研究论文。

研究比较了两个背景相反的小麦品种：近免疫的云麦34（Yunmai 34，YM）和感病的中国春（Chinese Spring，CS），在叶锈菌分离株Pt16侵染后0、6、12、24小时（hpi）的早期转录组。每个时间点3个生物学重复，共24个RNA-seq文库，过滤后得到约2.40×10⁹条clean reads（242 Gbp数据），比对到小麦参考基因组IWGSC RefSeq v2.1，比对率83.33%到90.72%。差异表达用DESeq2，阈值|log2FC|≥2、FDR≤0.05。作者又用WGCNA和STEM从共表达网络中筛候选，再用大麦条纹花叶病毒诱导的基因沉默（BSMV-VIGS）在中等感病品种郑麦9023（ZM9023）里做功能验证，并用DAB染色检测H₂O₂积累。

先看表型：接种12天，CS的感染型是“3”（感病），YM是“;”（近免疫）。组织学上，6和12 hpi两个品种的附着胞和胞下囊形成没有可见差别；分化出现在24和48 hpi，CS的侵染丝明显伸长、吸器母细胞更多，YM则把病菌限制住。据此判断，YM的抗性在12 hpi之后起效，属于吸器形成前的防御，研究因此把转录组锁定在0、6、12、24 hpi四个时间点。

1. 两个品种表型相反，抗性卡在吸器形成前

研究要回答的第一个问题是：YM和CS对叶锈菌的差别，到底发生在侵染的哪一步。用Pt16接种后，两品种的表型差异很干脆，CS感染型为“3”，YM为“;”。既然小麦对叶锈菌的抗性分吸器前和吸器后两类，作者把组织学观察压在早期：6和12 hpi，两个品种都能正常形成附着胞和胞下囊，看不出区别；到了24和48 hpi，差别才浮现，感病的CS侵染丝生长显著增强、吸器母细胞数量更高，YM则在这一阶段有效压制了病菌扩展。

这组结果把YM的抗性定位成一种在12 hpi之后生效的、强效的吸器前防御。它给后续转录组设定了取样窗口，也提示真正决定成败的分子事件发生在侵染最早期，落在病菌建立取食结构之前。

图1 两品种接种叶锈菌后的症状与病菌发育（Qian et al., 2026, Plant, Cell & Environment）

读图1先看表型再看微观过程。a是接种12天后YM与CS的叶片症状对比，YM几乎看不到孢子堆，CS病斑连片。b是叶锈菌在小麦叶片里的发育，取样点为6、12、24、48 hpi，病菌结构用偶联Alexa-488的麦胚凝集素染色，图上标注了附着胞（Ap）、芽管（Gt）、吸器母细胞（HMC）、侵染丝（IH）和胞下囊（SV）。前两个时间点两品种的结构数量接近，差别在24和48 hpi才拉开，这一点是理解整个研究时间窗的关键。

2. 感病品种重编程规模大，近免疫品种反应收敛

转录组层面的第一印象是规模差异，从最早的时间点就出现。以0 hpi为对照，6 hpi时CS已有26,144个差异表达基因（9,798个上调、16,346个下调），YM只有9,889个（3,499上、6,390下）；12 hpi，CS为25,414个，YM为6,359个；到24 hpi，CS的转录重编程达到37,406个（15,217上、22,189下），YM为17,000个（5,428上、11,572下）。感病品种在每个时间点的差异基因数都远高于近免疫品种。

YM有少数几个基因被诱导得特别强：编码精氨酸脱羧酶1的TraesCS7D03G0143500在12 hpi达到峰值，log2FC高达26.6；编码辛酰转移酶的TraesCS4D03G0441700在6 hpi峰值，log2FC为22.4；一个热激蛋白基因TraesCS3A03G0246200则在24 hpi被抑制得最厉害。CS走的是另一条路，接种6 hpi就把TraesCS3B03G1513200LC和TraesCS7B03G0699000强烈上调，log2FC分别为23.3和22.3。

功能富集把两套策略的差别摆得更清楚。两品种共调控的1264个差异基因主要落在几丁质响应、生物刺激和激素响应这些基础胁迫过程，SA介导的信号、胞吐和防御反应在两品种里都下调，像是一套保守的早期免疫抑制。分开看，CS富集在乙烯（ETH）激活信号、囊泡运输、谷胱甘肽代谢、糖酵解以及脱落酸（ABA）和油菜素内酯（BR）信号；YM的富集则收敛得多，6 hpi上调钙离子转运、下调热响应和生长素信号，12 hpi上调谷胱甘肽代谢和细胞分裂素信号、下调茉莉酸（JA）信号和系统获得抗性，24 hpi转向光合作用相关通路。

图2 两品种接种叶锈菌后的差异表达基因谱（Qian et al., 2026, Plant, Cell & Environment）

图2把“规模”和“内容”分开呈现。a是柱状图，分别列出YM和CS在6、12、24 hpi的上调、下调差异基因数，纵轴是基因数量，注意CS每一档都远高于YM。b的韦恩图给出两品种共有与特有的差异基因。c、d分别是CS（c）和YM（d）上、下调差异基因的GO生物过程富集气泡图，气泡大小表示该条目里的基因数，颜色深浅表示富集程度，读的时候重点比较两品种被点中的通路类别，不必逐个气泡去抠数值。

3. 直接比较两品种，锁定7536个持续差异基因

换一个方向，把同一时间点的YM和CS直接对比，看到的是品种间的基础差异。即使不接种（0 hpi），YM相对CS就有17,125个基因上调、18,001个基因下调，说明两者的基础转录状态本就不一样。接种之后，差异基因数先降后升：6 hpi降到8,958上、9,456下，12 hpi回升到9,830上、10,767下，24 hpi进一步升到12,934上、14,055下。这种先收敛再扩张的走势，提示两品种在侵染中各自做了动态而特异的转录调整。

作者从7536个在所有时间点都持续差异的基因里挑候选。GO富集显示，YM一侧细胞壁大分子代谢、几丁质分解和转座活性协同上调；谷胱甘肽代谢在所有时间点都持续下调；天冬氨酰-tRNA氨酰化通路在6、12、24 hpi特异富集。持续高差异表达的两个基因由此浮出：TraesCS2D03G0397300LC编码天冬氨酰-tRNA合成酶（TaAspRS），TraesCS5B03G0054500编码一个功能未知蛋白。前者尤其少见，因为氨酰-tRNA合成酶通常被当成管家酶，此前很少与锈病抗性挂钩。

图3 品种间两两比较得到的差异表达基因（Qian et al., 2026, Plant, Cell & Environment）

图3对应的是YM与CS之间的横向比较。a是两两比较的上下调差异基因数，横轴为0、6、12、24 hpi，0 hpi那一列的高度提醒读者：品种本身的基础差异就很大。b是GO富集气泡图，用来找出不同时间点被反复点中的通路，天冬氨酰-tRNA氨酰化就是在这里冒出来的。c是韦恩图，7536个交集基因是后续筛选候选的起点。

4. LRR与NLR受体走分化的感知路线

植物的病原感知系统由两类受体搭台：质膜上的模式识别受体（PRR）启动PTI，胞内的NLR受体启动ETI，两者都是持久抗性的重要靶点。作者系统分析了CS和YM里富亮氨酸重复（LRR）和核苷酸结合富亮氨酸重复（NLR）基因家族的转录动态。在CS基因组里共鉴定到1481个LRR基因和1966个NLR基因，其中719个LRR和708个NLR在至少一个品种中随侵染发生差异表达。

两品种的LRR和NLR诱导时间趋势相似，但CS在所有时间点差异表达的LRR和NLR数量都更多，并在24 hpi达到峰值。进一步筛出67个在所有时间点持续差异表达的LRR基因，其中35个在侵染中被显著诱导。个别成员的方向很早就分道扬镳：TraesCS3A03G1122300在CS的6 hpi急剧下调，TraesCS4A03G1226100却在YM的同一阶段上调。这种早期的表达分化，很可能是两品种后续防御效力差异的来源之一。

图4 两品种中LRR与NLR差异表达基因的表达谱（Qian et al., 2026, Plant, Cell & Environment）

图4的面板分工明确。a、b分别是LRR和NLR的上、下调差异基因数柱状图，横向比较两品种、纵向比较时间点，感病的CS在每个时间点数量都更高，说明它的免疫受体动员更剧烈。c是LRR差异基因的热图，行是基因、列是品种与时间点，右侧条形图给出log10 FPKM标准化表达量，颜色越红表达越高。热图回答的是“哪些受体在什么时候被拉高或压下去”，数量柱状图回答的是“动用了多少”，两者要合起来看。

5. ETH、ABA、BR信号只在感病品种被打开

PTI和ETI会牵动一大片激素信号，作者把两品种里与关键激素通路相关的基因摆在一起比较。有些反应是共有的：TGA1的转录本在两品种的所有时间点都显著上调，JA相关的COI1在两品种里也都上调。分歧出现在PR1基因上，多个PR1基因在CS强烈上调，而在YM里没有一个达到差异表达。

更明显的分化在ETH、ABA和BR三条通路上。多数ETH响应基因（包括ETR、EIN3和ERF1/2）在CS上调、在YM下调；ABA和油菜素内酯通路的基因同样呈现CS上调、YM下调的相反走向。作者据此判断，ETH、ABA和BR信号是感病CS特异激活的，近免疫的YM没有走这套程序。

图5 两品种在叶锈菌侵染中共享的激素信号差异基因（Qian et al., 2026, Plant, Cell & Environment）

图5是一张按激素通路组织的热图。从左到右三列分别是6、12、24 hpi相对0 hpi的log2FC，红色代表上调、蓝色代表下调，颜色深浅反映变化幅度。读图的窍门是纵向对照同一通路在两品种间的颜色方向：如果CS一列偏红、YM一列偏蓝，就说明这条信号被感病品种单独打开了。TGA1、COI1这类两列同向的基因，属于两品种共有的反应。

6. 共表达网络把候选收拢到coral2模块

为了从海量差异基因里找出真正与抗性状态绑定的调控枢纽，作者做了加权基因共表达网络分析（WGCNA），把所有基因聚成24个模块。模块-性状关联显示，coral2模块（3036个基因）与近免疫品种YM的关联最强，且不依赖是否接种；blue模块（3550个基因）则主要与感病的CS相关。KEGG富集指出，coral2模块显著富集在MAPK信号通路、植物激素信号转导和植物-病原互作上，blue模块没有这种免疫倾向。

作者又用STEM分析coral2模块的时间表达模式，识别出四个显著模型：model 41包含2000个在两品种接种后都上调的基因；model 27包含375个先升后降的基因；model 16包含157个只在YM接种后特异下调的基因；model 3包含184个先降后升的基因。把这些模式与前面持续差异表达的7536个基因取交集，TaLRRop落在model 41（持续上调），TaAspRS落在model 3（先短暂下调再恢复），两个候选由此被推到功能验证台前。

图6 侵染中YM与CS基因共表达网络的WGCNA分析（Qian et al., 2026, Plant, Cell & Environment）

图6是整个候选筛选逻辑的收口。a是基因共表达模块的层次聚类树，每条分支代表一个基因，24个模块用不同颜色标出。b是各模块基因数的柱状图。c是模块-样本相关性热图，格子里是相关系数、括号里是P值，红色为正、蓝色为负，coral2在YM那一列最红、blue在CS那一列最红，这是“模块归属哪个品种”的直接证据。d、e分别是coral2（d）和blue（e）模块的KEGG富集结果，用来解释两个模块功能上的分工。f是STEM把coral2模块的基因按时间趋势归成四类，四条曲线对应model 41、27、16、3。

7. 沉默验证：TaAspRS与TaLRRop是基础免疫的正调控因子

功能验证选在中等感病的ZM9023里做，用BSMV-VIGS分别沉默TaAspRS和TaLRRop。qRT-PCR确认两个基因的表达都下降超过50%。接种叶锈菌12天后，沉默株的病斑（uredia）面积更大、孢子堆更大、真菌生物量更高；组织学观察显示，24和48 hpi沉默株的侵染丝发育加速，病菌定殖更强。DAB染色进一步显示，沉默株在24和48 hpi的H₂O₂积累显著减少，ROS生成基因TaNOX10和ROS清除基因TaPOX2在接种前就协同下调，TaPR1和TaPR5的基础表达与诱导表达都明显降低。

为判断这两个基因是否属于宿主不亲和的必需环节，作者又在近免疫的YM和另一个不亲和品种XN511里重复沉默。结果有意思：敲低任一基因都会在24 hpi显著增加叶锈菌侵染丝的发育，却没有改变YM在15 dpi的近免疫表型，只是在XN511里加重了褪绿病斑。这说明TaAspRS和TaLRRop是执行早期吸器前限制的关键组分，属于基础免疫网络，并不主导全局不亲和。

图7 沉默TaLRRop和TaAspRS降低ZM9023对叶锈病的抗性（Qian et al., 2026, Plant, Cell & Environment）

图7是整条证据链的落点。a是接种12天的叶片表型照片，沉默株与对照并排对比。b是qRT-PCR确认沉默效率。c、d分别是真菌生物量和孢子堆面积，量化“病得更重”这件事。e是24和48 hpi染色后的病菌生长图像，标注了胞下囊（SV）和侵染丝（IH）。f、g是用ImageJ量出的24 hpi菌丝长度和48 hpi侵染面积，数据来自三个独立生物学重复、共30个侵染点的均值±标准差，星号是Student's t检验的显著性。整张图把“基因被敲低”到“病菌长得更多”的因果串起来，但要注意ZM9023只是中等感病背景，效果强度受材料限制。

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研究价值与证据边界

这项工作把吸器前的时间窗、转录组规模、共表达网络和瞬时沉默验证连成一条线，给出一个反直觉但可检验的结论：决定小麦早期抗叶锈的，是转录层面的组成型免疫状态，与诱导反应的总体幅度关系不大。近免疫的YM在未接种时就维持着约43%的PR1同源基因高表达，TaPR1、TaPR2、TaPR3、TaPR4、TaPR5、TaPR9、TaPR10等标记基因以及TaACO3、TaEIL1、TaERF1等ETH信号组分的基础水平都高于CS；感病的CS则在侵染后发动37,406个差异基因的大规模重编程，动用ETH、ABA、BR信号和大量免疫受体，仍然拦不住病菌。研究还从7536个持续差异基因与coral2模块的交集中锁定TaAspRS和TaLRRop，VIGS验证二者通过影响ROS积累和PR基因表达正向调控基础抗性。对抗性育种而言，评估材料时除了看已知Lr基因的有无，还要看基础免疫系统是否完整、活跃。

证据边界：表型和组织学基于Pt16、Pt15分离株和温室条件，结论的普适性受菌株与栽培条件限制。组成型免疫的判据来自转录水平，论文自己也指出需要直接的激素定量来确认功能动态。TaAspRS和TaLRRop在YM和XN511里被敲低后并不能突破近免疫屏障，说明它们只是基础防御组分，并不主导全局不亲和。功能验证用的是BSMV-VIGS瞬时沉默和中等感病的ZM9023背景，缺少稳定的转基因或突变体材料。两品种在0 hpi就有三万余个基因差异表达，品种遗传背景带来的混杂难以完全排除。此外，LRR和NLR家族成员数基于中国春参考基因组注释，YM的对应成员可能不同；组成型防御与生长之间的权衡，论文是在讨论中结合YM株高更矮、生育期更短提出的推断，并未量化防御代价。

文章信息

英文题目：Comparative Transcriptomics Reveals Constitutive Immunity and Divergent Defence Strategies in Wheat against Leaf Rust

文章类型：Article（Original Article）

期刊与发表信息：Plant, Cell & Environment；2026年9月7日接受（2026年2月25日投稿，2026年8月4日修回）

DOI：https://doi.org/10.1111/pce.70885

第一作者：Huimin Qian（河南农业大学生命科学学院）

通讯作者及邮箱：郑文明（wmzheng@henau.edu.cn）、程琨（chengkun881111@foxmail.com）、宋鹏宇（pysong@henau.edu.cn）

主要署名单位：河南农业大学生命科学学院、小麦-玉米两熟高效生产重点实验室

数据与补充材料：RNA-seq数据存于NCBI Sequence Read Archive（SRA），BioProject登录号PRJNA1357381；补充图S1–S10、补充表S1–S10随文公开。