單位：中科院(yuan)上(shang)海(hai)植(zhi)生所

影響因子(zi)：11.878

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文章摘要

禾(he)(he)谷(gu)(gu)鐮(lian)刀菌(jun)(jun)（Fusarium graminearum）在(zai)農(nong)業(ye)產業(ye)中(zhong)具有重大(da)的(de)(de)經濟影響。禾(he)(he)谷(gu)(gu)鐮(lian)刀菌(jun)(jun)常見于小麥(mai)(mai)和大(da)麥(mai)(mai)，據估(gu)計，禾(he)(he)谷(gu)(gu)鐮(lian)刀菌(jun)(jun)造成的(de)(de)生產損失可高達 50%。中(zhong)科院植(zhi)生所唐(tang)威華教授團(tuan)隊(dui)與有機所劉文教授團(tuan)隊(dui)，近日在(zai)國際知名雜志《Nature Communication》上發表了(le)禾(he)(he)谷(gu)(gu)鐮(lian)刀菌(jun)(jun)侵(qin)(qin)染(ran)小麥(mai)(mai)的(de)(de)相關機制研究成果。文章(zhang)指出(chu)禾(he)(he)谷(gu)(gu)鐮(lian)刀菌(jun)(jun)的(de)(de)一個次級代謝(xie)產物(wu)合成基因簇 fg3_54，可能(neng)編碼(ma)了(le)其(qi)毒力因子，fusaoctaxin A。對 fg3_54 進行(xing)敲除，禾(he)(he)谷(gu)(gu)鐮(lian)刀菌(jun)(jun)的(de)(de)侵(qin)(qin)染(ran)能(neng)力大(da)大(da)減弱，外源(yuan)添(tian)加(jia) fusaoctaxin A 后，禾(he)(he)谷(gu)(gu)鐮(lian)刀菌(jun)(jun)侵(qin)(qin)染(ran)能(neng)力得(de)到恢復(fu)，通過進一步研究，文章(zhang)提(ti)出(chu)了(le) fusaoctaxin A 介導的(de)(de)侵(qin)(qin)染(ran)模型。其(qi)中(zhong)，小麥(mai)(mai)轉(zhuan)錄(lu)組測序服務(wu)由伯(bo)豪生物(wu)提(ti)供。

研究內容

禾谷鐮(lian)刀菌 fg3_54 基(ji)(ji)因(yin)簇(cu)(cu)在感染小麥胚芽鞘(qiao)后，呈現出(chu)特異性高表(biao)達，而在體(ti)外環境(jing)中，fg3_54 基(ji)(ji)因(yin)簇(cu)(cu)幾乎檢測不到表(biao)達。fg3_54 基(ji)(ji)因(yin)簇(cu)(cu)包含(han)兩個(ge)多功能(neng)結(jie)構基(ji)(ji)因(yin)，nrps5 (FGSG_13878) 和(he) nrps9(FGSG_10990)，編碼非核糖(tang)體(ti)合成肽酶，以及 6 個(ge)其它基(ji)(ji)因(yin) fgm5 (FGSG_10995), fgm4 (FGSG_10994), fgm3 (FGSG_10993), fgm2 (FGSG_10992), fgm1 (FGSG_10991) 以及 fgm9 (FGSG_10989)。

為了驗證 fg3_54 基因簇的表(biao)達是(shi)侵(qin)染(ran)過程發生的必要條件，作者構建了基因簇整體(ti)敲除(chu)株(zhu)（FG-Δfg3_54），以及單個基因敲除(chu)株(zhu)（FG-Δfgm4, FG-Δfgm3, FG-Δfgm1, FG-Δfgm9, and FG-Δnrps5）。這(zhe)些突變株(zhu)在(zai)培養條件下與野生型無明顯差(cha)異(yi)，但在(zai)接種小(xiao)麥(mai)后(hou)，這(zhe)些突變株(zhu)誘導形成的枯萎癥小(xiao)穗數量顯著減少。在(zai)接種發生 2.5 天后(hou)，相(xiang)較于(yu)野生型，突變株(zhu)菌絲密(mi)度低(di)和侵(qin)染(ran)面積更小(xiao)。FG-Δfg3_54 的菌絲往往滯(zhi)留于(yu)胚(pei)芽鞘表(biao)皮細胞的凹凸邊(bian)緣處，而(er)(er)野生株(zhu)菌絲則能夠滲透進表(biao)皮細胞屏(ping)障。接種 8 天后(hou)，野生株(zhu)菌絲到達小(xiao)花基部軸上，而(er)(er)突變株(zhu)幾乎沒(mei)有在(zai)小(xiao)花基部軸上有發現。

作者構建(jian)了(le)(le)過表達株(zhu) WT-OE::fgm4，在(zai)與(yu) FG-Δfg3_54 的比較中(zhong)發現 WT-OE :: fgm4 積累(lei)了(le)(le)一種新產物，隨后改產物被鑒定為線性(xing)八肽(tai) fusaoctaxin A，將 fusaoctaxin A 以(yi)不(bu)同濃度添加到 FG-Δfg3_54-RFP 突變體(ti)接種的小(xiao)麥胚芽鞘上。結果表明 fusoctaxin A 以(yi)劑量依(yi)賴的方式(shi)恢復了(le)(le) FG-Δfg3_54-RFP 侵染小(xiao)麥的能力。

為了(le)(le)確定小麥(mai)在病原(yuan)菌(jun)入侵過(guo)(guo)程細(xi)胞(bao)水平的(de)相(xiang)關(guan)防(fang)御(yu)反(fan)(fan)應(ying)，作(zuo)者進(jin)行了(le)(le)小麥(mai)轉(zhuan)錄組測序研(yan)究。實驗設(she)置了(le)(le)真(zhen)菌(jun)產生(sheng) fusaoctaxin A 以(yi)及外源添加 fusaoctaxin A 的(de)兩種處(chu)理(li)條(tiao)件，確定了(le)(le)處(chu)理(li) 3h 和 24h 后，小麥(mai)基因(yin)組中表達均受(shou)到(dao)抑制的(de)基因(yin)，868 和 862 個下調基因(yin)。通過(guo)(guo) GO 富集分析發(fa)現，處(chu)理(li) 3h 后，下調基因(yin)主要與葉(xie)綠體(ti)活(huo)性相(xiang)關(guan)以(yi)及防(fang)御(yu)免疫反(fan)(fan)應(ying)相(xiang)關(guan)通路相(xiang)關(guan)。24h 后，與微管(guan)活(huo)動相(xiang)關(guan)、細(xi)胞(bao)壁生(sheng)成活(huo)動受(shou)到(dao)抑制。

禾(he)谷(gu)鐮(lian)(lian)刀菌 fg3_54 基(ji)因簇(cu)編碼的(de)八(ba)肽 fusaoctaxin A，能(neng)(neng)夠(gou)影響小麥(mai)細胞(bao)間的(de)防(fang)御(yu)(yu)反應，當 fg3_54 基(ji)因簇(cu)被敲除時，禾(he)谷(gu)鐮(lian)(lian)刀菌的(de)侵染能(neng)(neng)力大(da)大(da)減弱，菌絲體難以滲透細胞(bao)壁，外源補充 fusaoctaxin A 后，侵染能(neng)(neng)力得(de)到(dao)恢(hui)復。由(you)此，作(zuo)者提出了以短肽介導(dao)的(de)小麥(mai)—禾(he)谷(gu)鐮(lian)(lian)刀菌互作(zuo)模型，深化了人(ren)們對(dui)于作(zuo)物對(dui)病原菌防(fang)御(yu)(yu)機制的(de)研究。

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