近日，浙江大学与中国热带农业科学院香料饮料研究所开展联合攻关，对野生胡椒抗病遗传进行了深度解析，在国际知名综合性期刊Journal of Advanced Research（IF:11.4）在线发表了题为Intra species dissection of phytophthora capsici resistance in black pepper的研究论文，为提高胡椒栽培种的抗性及高产稳产提供了重要遗传资源。

胡椒（Piper nigrum）是胡椒科（Piperaceae）胡椒属（Piper）多年生木质藤本植物，果实具有辛辣香气，素有“香料之王”的美誉，不仅是世界重要的香辛作物之一，同时在药用价值和工业价值方面扮演重要的角色；随着胡椒碱、3-蒈烯、石竹烯等活性成分抗氧化和抑菌活性的发现，胡椒在食品工业、生物医学、传统医学和新型农药等领域都有巨大的应用潜力。

目前，我国胡椒种植面积已达36万多亩，年总产量超过4万吨，是世界第五大生产国。海南省是我国胡椒的传统产区和优势种植区域，产量占我国的90%以上。然而，卵菌病原体——辣椒疫霉菌（Phytophthora capsici）严重影响了胡椒的生长，病情严重的胡椒园损失可达90%以上，甚至出现全园毁灭的情况，给胡椒产业带来了重大威胁。因此，了解胡椒对辣椒疫霉菌的抗病机制，对于制定有效策略以减轻胡椒瘟病的影响，并确保胡椒种植的持续增长与繁荣至关重要。

作物野生种具有更广泛的基因库，提供了许多改变农业生产力和作物抗性的关键特性或基因。这些特性包括抗病虫害、耐旱性、耐盐性等，对提高作物的适应性和生产力至关重要。胡椒野生种质资源具有高抗病特性，具有胡椒稳产重大利用价值。在作物驯化选择过程中，由于纯化选择经常发生关键抗性变异的丢失。因此，有效引进和利用具有显著变异的野生资源，剖析野生物种对病原体抗性的遗传来源，对进一步应用于胡椒育种具有重要意义。本研究旨在探讨胡椒与病原体辣椒疫霉菌之间相互作用的遗传和表观遗传机制，特别关注基因表达的调节过程。

胡椒栽培种热引1号（Piper nigrum cv. Reyin-1）由中国热带农业科学院选育的重要栽培种，以其高产而闻名，但对辣椒疫霉菌较为敏感。相比之下，原产于中国海南省和云南省的野生物种黄花胡椒（Piper flaviflorum）对该病原体表现出显著的抗性。当这两种胡椒同时受到辣椒疫霉菌侵染时，热引1号在接种12小时内即出现病斑，而黄花胡椒则表现出更高的抗性。研究发现，胡椒在接种辣椒疫霉菌后4小时内产生强烈的模式触发免疫（PTI）反应，并逐渐产生效应子触发免疫（ETI）反应，后者在接种后12小时达到峰值。

黄花胡椒与热引1号之间存在显著的基因组差异，这可能是导致它们抗性差异的主要原因。本研究首先评估了两个胡椒品种之间蛋白编码区的基因组结构变异，共鉴定出1,372,678个SNP位点和235,493个indel位点。对黄花胡椒26条染色体的显著变异标记进行分析，发现远离着丝粒区域的变异频率相对较高。经过注释，识别到5,496个受到高效变异影响的基因，其中359个基因与植物抗性防御反应相关。同时，大部分基因在两种胡椒间显示出显著的转录差异。与热引1号相比，黄花胡椒中与PTI过程相关的模式识别受体（PRR）、细胞表面蛋白、受体样激酶（RLK）和受体样蛋白（RLP）的转录表达显著更高。此外，与ETI过程相关的R基因在黄花胡椒中也表现出特异性表达。

黄花胡椒对辣椒疫霉菌表现出强大的抗性，采用了更全面的防御机制，在转录水平上与热引1号表现出显著的种间差异。在辣椒疫霉菌侵染后，黄花胡椒表现出抗氧化能力，包括谷胱甘肽代谢和MAPK信号通路的活跃。其次，黄花胡椒在乙醛酸酯和二羧酸盐代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、类黄酮生物合成、玉米素生物合成等途径中显示出富集，这些化合物对植物的抗病性有直接和间接的影响。更重要的是，黄花胡椒展示了特有的亚油酸和α-亚麻酸合成途径，这些是茉莉酸（JA）生物合成的关键起始代谢底物。

在多细胞真核生物中，细胞内共用同一套染色质，尽管具有相同的基因组序列，却能够分化出不同的细胞、组织和器官，从而行使不同的功能。基因表达的表观遗传学调控在这一过程中起着关键作用，是生物体生长发育、器官分化、功能多样性及环境适应性的基础。组蛋白修饰是表观遗传调控的重要组成部分，对基因表达相关染色质状态的遗传变异标记具有重要作用，并在生理过程及生物和非生物胁迫反应中发挥关键作用，对植物生长发育产生深远影响。本研究应用自主研发的适用于植物的CUT&Tag技术，对在黄花胡椒和热引1号的组蛋白修饰标记H3K4me3信号进行了全基因组解析，发现该标记捕获的结合DNA片段长度与核小体单位DNA长度接近（~150 bp），并表现出震荡曲线分布规律。信号强度在染色体分布的规律显示与基因密度的增加相对应，大多数信号位于基因的转录起始位点（TSS）区域。获得的峰值信号中有很大一部分被注释到基因的启动子区域。尽管H3K4me3信号在两种胡椒中的分布特征相似，但仍存在显著差异。在病原菌接种处理前后，H3K4me3信号峰在两种胡椒中均发生不同变化，这在一定程度上证明了组蛋白修饰对外部应激源的敏感性。在外部病原体侵染期间，胡椒中大量组蛋白修饰的变化与基因转录水平的变化协同发生。植物抗病基因的表达也受表观遗传调控，其中H3K4me3组蛋白修饰通常发生在转录调控的起始位点，与基因的转录激活显著相关。与热引1号相比，黄花胡椒在H3K4me3修饰中表现出不同的功能富集模式，尤其在亚油酸和α-亚麻酸合成途径上显著富集。进一步研究发现，黄花胡椒LOX家族基因受H3K4me3修饰调控，导致基因表达上调，激活茉莉酸生物合成途径，从而有效抑制病原体的侵染。

综上所述，本研究利用胡椒的抗性野生种和敏感栽培种进行多组学比较，揭示了基于基因组学、转录组学、表观基因组学和代谢组学的抗病基因和通路。这为胡椒的抗病育种提供了基因来源，并提供了一个全面的分析框架，以确定胡椒野生物种对病原体抗性的遗传资源。这将有助于应用群体遗传学技术方法更深入地了解遗传和表观遗传因素如何影响植物对病原体的反应，从而协助胡椒栽培种的抗病性遗传改良。

浙江大学棉花精准育种团队在读博士生郝宇鹏、中国热带农业科学院香料饮料研究所范睿副研究员为论文共同第一作者。浙江大学关雪莹研究员、中国热带农业科学院香料饮料研究所郝朝运研究员为论文共同通讯作者。本研究工作依托浙江大学、海南专项研究生培养项目支持，获得国家自然科学基金、海南省自然科学基金等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jare.2024.10.015

作者：农民日报•中国农网记者 雍敏 邓卫哲