2025-03-12
Highlights
1、本文汇总了互作转录组常见实验设计、解读了相关文章思路；
2、在农业领域，宿主与微生物的互作转录组研究正成为破解作物抗逆、畜禽健康和水产病害的关键技术；
3、派森诺提供宿主-微生物互作转录组服务，助力互作研究，项目经验丰富。
之前通过国自然热点 | 宿主-微生物相互作用——互作转录组测序详解这篇软文给大家介绍了互作转录组的基本知识。简要来说互作转录组测序可以同时对互作的两个或多个物种进行建库测序，更能反映宿主和病原体真实的表达情况，在抗病或致病机理研究、新药开发、农业病害研究和防治、物种进化和生理适应等领域具有广泛的应用前景。今天再跟着小派一起来看看互作转录组在农学领域应用的详细介绍吧。
一、互作转录组在农业中的应用方向
互作转录组通过同时解析植物、动物宿主与特定微生物的动态基因表达网络，科研人员能够精准挖掘宿主抗病基因、揭示微生物致病机制，甚至发现共生微生物提升宿主抗逆性与产量的分子奥秘。这一技术不仅为农业病虫害防治提供了新靶点，更为培育高产优质新品种、构建绿色生态农业模式注入了创新活力，为科研人员解锁了一把通往高效、绿色、可持续农业发展的密钥。
1、经济作物
抗病机制研究：研究经济作物与有害细菌互作的转录组，有助于揭示植物抗病的分子机制。转录组分析可以确定植物在与这些细菌互作时哪些基因被激活，从而为培育抗病品种提供理论依据。
品质改良：某些细菌可以影响经济作物的次生代谢产物合成，通过转录组研究可以发现参与这些代谢途径的关键基因，为通过微生物手段提高植物的品质（如提高药用植物的有效成分含量、改善花卉的色泽和香气等）提供方向。
生长促进：探索促进经济作物生长的细菌与植物互作的转录组，了解植物在细菌作用下生长相关基因的表达变化，为开发新型生物肥料和生长调节剂提供参考。
2、大田作物
提高产量：研究与高产相关的细菌与大田作物互作的转录组，挖掘影响作物生长发育、光合作用、养分吸收等过程的关键基因，通过调控这些基因的表达来提高作物产量。
抗逆性增强：分析作物与耐逆细菌互作的转录组，了解植物在逆境条件下（如干旱、盐碱、高温等）与细菌互作时基因表达的变化，为培育抗逆性强的作物品种提供基础。
养分高效利用：研究能够促进作物对养分吸收和利用的细菌与作物互作的转录组，确定参与养分转运和代谢的关键基因，为提高肥料利用率和减少环境污染提供解决方案。
3、家禽与畜牧
肠道健康与营养：研究动物肠道内共生细菌与宿主互作的转录组，了解肠道微生物对动物营养消化吸收、免疫调节和肠道发育的影响，为开发新型饲料添加剂和益生菌制剂提供依据。
疾病防控：分析感染病原菌的动物与宿主互作的转录组，找出宿主在感染过程中免疫相关基因的表达变化，为制定有效的疾病防控策略和开发疫苗提供线索。
生长性能提升：探索促进动物生长的细菌与宿主互作的转录组，明确影响动物生长发育的关键基因和信号通路，为提高动物生产性能提供理论支持。
4、水产
免疫调节：研究水产动物与免疫增强细菌互作的转录组，了解细菌如何激活水产动物的免疫系统，为开发高效的免疫增强剂和疫苗佐剂提供理论基础。
抗应激能力提升：分析水产动物在应激条件下（如高温、高氨氮、低氧等）与有益细菌互作的转录组，找出参与应激响应的关键基因，为提高水产动物的抗应激能力提供方法。
水质净化与养殖环境改善：研究能够降解水中污染物和改善水质的细菌与水产动物互作的转录组，了解细菌对水产动物生理功能的影响，为实现绿色健康养殖提供技术支持。
二、互作转录组测序方案设计
互作转录组实验基本设计思路是互作样本中的物种与各自物种的对照样本进行差异比较。互作转录组标准的样本构成为两个物种的对照样本以及互作样本。与常规转录组不同的是互作转录组对互作样本中的两个物种同时取样、提取RNA、建库、上机测序。最后获取两个物种RNA的测序结果并分别与这两个物种的对照组进行后续转录组分析。互作样本取样部位需要精确，应同时取到互作物种；每一组样品建议至少3个生物学重复，并加大互作样本的测序量，真核生物和真核生物互作建议数据量10G，真核生物和原核生物互作建议数据量15G。
三、互作转录组实验设计及思路
1、一种互作
①一个时间点；一种宿主；一种病原体/微生物
参考文献：互作转录组测序助力揭示内生细菌促进寄主植物生长机制
Endophytic Bacillus altitudinis Strain Uses Different Novelty Molecular Pathways to Enhance Plant Growth
期刊：Frontiers in Microbiology
研究背景：
植物可以与多种促进植物生长的内生细菌共存，这些细菌可通过增强寄主的养分获取、固氮、获取铁和产生铁载体的能力来促进寄主生长。然而目前内生细菌促进寄主生长的分子机制仍无定论。因此，本研究旨在从野生植物中分离和鉴定内生细菌，并对其促进植物生长的特性和参与内生细菌-植物相互作用的主要分子事件进行研究。
实验材料：
宿主：拟南芥；互作微生物：高原芽孢杆菌
时间点：接种后 72 小时
组别：接种后拟南芥、未接种拟南芥、纯培养高原芽孢杆菌
结果：
本研究从野生植物中华甜茅中分离并鉴定了一种新的高原芽孢杆菌SB001。温室实验证明，高原芽孢杆菌能促进不同植物的生长。转录组测序结果表明，成熟酶K、TPR样超家族蛋白、LOB结构域蛋白可能参与了SB001对拟南芥的促生作用；此外，在内生菌中发现了与植物相互作用过程中主要促进因子：MFS转运体和DNA旋转酶亚基B。这些发现表明，SB001可作为促进植物生长的有利候选源，在可持续农业中发挥重要作用。
主要结果
②多个时间点；一种宿主；一种病原体/微生物
参考文献：猪 PK-15 细胞与弓形虫体外感染过程中差异表达转录本的双重鉴定与分析
Dual Identification and Analysis of Differentially Expressed Transcripts of Porcine PK-15 Cells and Toxoplasma gondii during in vitro Infection
期刊：Frontiers in Microbiology
研究背景：
弓形虫具有独特的宿主细胞广谱感染能力和复杂的免疫逃逸机制，其细胞周期与宿主基因表达存在协同调控网络。尽管弓形虫在多个组织中的致病机制已被广泛研究，但对肾脏组织的感染动态及中间宿主猪的病理机制仍知之甚少。本研究旨在揭示了寄生虫与宿主在代谢重编程、应激响应及免疫逃避等通路的互作特征，为靶向开发抗弓形虫药物和疫苗提供了关键分子靶点。
实验材料：
宿主：猪；互作病原体：弓形虫；
时间点：感染后1、3、6、9、12、18、24 h；
组别：感染细胞、模拟感染细胞、纯化的寄生虫
结果：
本研究发现弓形虫代谢活动相关的DEGs显示出时间依赖性的下调。与PK-15细胞免疫或疾病相关通路的DEGs在感染后6小时达到峰值。蛋白-蛋白相互作用分析发现，PCNA、DHFR-TS、TGME49_055320和ITPase是与弓形虫感染初期相互作用最多的四个关键基因。这些结果揭示了PK-15细胞和弓形虫在感染过程中基因表达的变化，为未来研究弓形虫与猪肾组织相互作用的机制提供了基础，有助于揭示弓形虫的致病机制和毒力因素。
2、多个物种互作
③一个时间点；多种宿
主 (如易感、抗病)；一种病原体/微生物
参考文献：嗜冷黄杆菌及其外膜囊泡互作转录组测序解析虹鳟鱼细菌性冷水病易感相关基因
Dual RNA-Seq of Flavobacterium psychrophilum and Its Outer Membrane Vesicles Distinguishes Genes Associated with Susceptibility to Bacterial Cold-Water Disease in Rainbow Trout (Oncorhynchus mykiss)
期刊：Pathogens
研究背景：
黄杆菌属病原菌是引发鲑鳟鱼类细菌性冷水病的主要革兰氏阴性致病菌。目前尚无有效疫苗，且其毒力机制尚未完全阐明。近年研究发现，细菌外膜囊泡（OMVs）可通过内吞或受体结合将内部包裹的毒力蛋白、核酸等传递至宿主细胞。然而，OMVs介导的宿主细胞裂解及内容物转移过程仍不明确。
实验材料：
宿主：虹鳟鱼；互作病原体：黄杆菌属病原菌；
时间点：感染后5 天；
组别：易感虹鳟鱼+黄杆菌属病原菌OMV侵染、抗性虹鳟鱼+黄杆菌属病原菌OMV侵染
结果：
通过对比黄杆菌属病原菌抗性品系与易感品系虹鳟鱼感染第5天的互作转录组，发现OMVs富集基因呈现差异表达模式，提示外膜囊泡在宿主-微生物互作中具有调控作用。值得注意的是，一个细胞壁相关水解酶（CWH）基因在OMVs中表达量最高，且为易感鱼类中上调最显著的转录本之一。本研究揭示了外膜囊泡在病原-宿主互作中的潜在功能，并鉴定了与毒力及致病机制密切相关的关键微生物基因。
主要结果
④一个时间点；一种宿主；多种病原体/微生物（如菌强致病、弱致病）
参考文献：感染组织的互作转录组和蛋白组分析揭示变形假单胞菌双鸟苷酸环化酶与斜带石斑鱼互作中的功能
Integrated dual RNA-seq and dual iTRAQ of infected tissue reveals the functions of a diguanylate cyclase gene of Pseudomonas plecoglossicida in host-pathogen interactions with Epinephelus coioides
期刊：Fish & Shellfish Immunology
研究背景：
革兰氏阴性菌变形假单胞菌可引发经济鱼类脾脏白结节及高死亡率，但其致病性在低温下显著增强的现象与双鸟苷酸环化酶基因的高表达相关。该基因编码的酶可合成第二信使c-di-GMP，但其在宿主-病原体互作中的功能机制仍属未知。因此，整合转录组与蛋白质组的多组学关联分析，将为解析此类温度依赖性致病机制及细菌c-di-GMP信号通路的宿主互作提供新视角。
实验材料：
宿主：斜带石斑鱼；互作病原体：变形假单胞菌；
时间点：感染后24 h；
组别：RNAi 菌株侵染组、野生型菌株侵染组
结果：
本研究通过沉默L321_RS15240基因，揭示该基因调控宿主-病原互作的多维度分子机制：在宿主层面诱导补体和凝血级联激活、核糖体功能异常及氨基酸代谢紊乱，同时触发吞噬体相关蛋白和谷胱甘肽代谢酶系的上调；而病原体则通过动态调整代谢通路与毒力因子表达实现适应性响应。该研究为揭示宿主-病原界面互作机制及开发靶向治疗策略提供了重要理论依据。
主要结果
⑤多个时间点；一种宿主；多种病原体/微生物
参考文献：甘蓝型油菜与两种小球腔菌属真菌互作的基因组和转录组
Genomes and transcriptomes of partners in plant-fungal-interactions between canola (Brassica napus) and two Leptosphaeria species
期刊：PLoS One
研究背景：
小球腔菌属中的 L. maculans 'brassicae'（引发黑胫病）和L. biglobosa 'canadensis'（子叶病变）是对油菜具有显著致病性的真菌。在感染过程中，真菌通过酶解蛋白质和碳水化合物从宿主植物中获取营养。这些酶被归类为碳水化合物活性酶（CAZys），CAZy活性会释放细胞壁产物，这些产物可以作为损伤相关分子模式激活宿主免疫系统。但是目前关于这两个物种感染油菜的转录组研究有限。
实验材料：
宿主：甘蓝型油菜；互作病原体：小球腔菌属；
时间点：感染后7、14天；
组别：感染7天油菜、感染14天油菜、2种纯培养小球腔菌、纯培养油菜
结果：
在感染初期，L. biglobosa'比L. maculans表达了更多细胞壁降解相关基因。而L. maculans 则在CAZy数据库的碳水化合物结合模块类别中呈现高表达，特别是CBM50家族基因，这些基因可能参与逃避宿主植物基础先天免疫。L. biglobosa 感染激活了油菜中的茉莉酸和水杨酸防御通路，这与植物对抗坏死营养型病原体的典型防御模式一致。而L. maculans则显著诱导了异分支酸合成酶1的高表达。两类CAZy基因的特异性表达模式，以及宿主防御通路和特定代谢途径的差异性激活，恰与各自营养类型相吻合。
主要结果
⑥多个时间点；多种宿主；一种病原体/微生物
参考文献：抗性宿主与感病宿主中松树-松树脂溃疡病菌互作转录组解析
Dual RNA-Seq Analysis of the Pine - Fusarium circinatum Interaction in Resistant (Pinus tecunumanii) and Susceptible (Pinus patula) Hosts
期刊：Microorganisms
研究背景：
松树脂溃疡病菌是威胁全球天然林和工业松林的重要病原体。F. circinatum 不仅引发松树病害，还能以内生形式定殖于松树及非针叶宿主，这种生态适应性增加了其通过未监测宿主传播的风险。当前防控依赖抗病杂交育种，例如将易感的 P. patula 与抗性树种低海拔种源 P. tecunumanii 杂交，但其分子抗性机制尚不明确。
实验材料：
宿主： P. patula、P. tecunumanii；互作病原体：松树脂溃疡病菌；
时间点：接种后3、7天；
组别：接种后3天的P. patula和P. tecunumanii、接种后7天的P. patula和P. tecunumanii
结果：
相较于P. patula，P. tecunumanii中松树脂溃疡病菌感染期间表达的麦角固醇生物合成相关基因显著下调。在抗性宿主中，富集的GO条目和DEGs揭示了生长素、乙烯、茉莉酸酯与水杨酸酯介导的植物激素信号传导机制的关键作用；而感病宿主中对应的重要激素信号组分则呈现下调趋势。本研究表明P. tecunumanii的抗病性依赖于植物激素信号通路的协同调控，而P. patula的易感性则与其植物激素信号响应延迟及通路功能受损密切相关。
主要结果
