單位：中科院上海植生所

影響因子：11.878

使用服務：轉錄組測序

文章摘要

禾谷鐮刀菌（Fusarium graminearum）在農業產業中具有重大的經濟影響。禾谷鐮刀菌常見于小麥和大麥，據估計，禾谷鐮刀菌造成的生產損失可高達 50%。中科院植生所唐威華教授團隊與有機所劉文教授團隊，近日在國際知名雜志《Nature Communication》上發表了禾谷鐮刀菌侵染小麥的相關機制研究成果。文章指出禾谷鐮刀菌的一個次級代謝產物合成基因簇 fg3_54，可能編碼了其毒力因子，fusaoctaxin A。對 fg3_54 進行敲除，禾谷鐮刀菌的侵染能力大大減弱，外源添加 fusaoctaxin A 后，禾谷鐮刀菌侵染能力得到恢復，通過進一步研究，文章提出了 fusaoctaxin A 介導的侵染模型。其中，小麥轉錄組測序服務由伯豪生物提供。

研究內容

禾谷鐮刀菌 fg3_54 基因簇在感染小麥胚芽鞘后，呈現出特異性高表達，而在體外環境中，fg3_54 基因簇幾乎檢測不到表達。fg3_54 基因簇包含兩個多功能結構基因，nrps5 (FGSG_13878) 和 nrps9(FGSG_10990)，編碼非核糖體合成肽酶，以及 6 個其它基因 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 基因簇的表達是侵染過程發生的必要條件，作者構建了基因簇整體敲除株（FG-Δfg3_54），以及單個基因敲除株（FG-Δfgm4, FG-Δfgm3, FG-Δfgm1, FG-Δfgm9, and FG-Δnrps5）。這些突變株在培養條件下與野生型無明顯差異，但在接種小麥后，這些突變株誘導形成的枯萎癥小穗數量顯著減少。在接種發生 2.5 天后，相較于野生型，突變株菌絲密度低和侵染面積更小。FG-Δfg3_54 的菌絲往往滯留于胚芽鞘表皮細胞的凹凸邊緣處，而野生株菌絲則能夠滲透進表皮細胞屏障。接種 8 天后，野生株菌絲到達小花基部軸上，而突變株幾乎沒有在小花基部軸上有發現。

作者構建了過表達株 WT-OE::fgm4，在與 FG-Δfg3_54 的比較中發現 WT-OE :: fgm4 積累了一種新產物，隨后改產物被鑒定為線性八肽 fusaoctaxin A，將 fusaoctaxin A 以不同濃度添加到 FG-Δfg3_54-RFP 突變體接種的小麥胚芽鞘上。結果表明 fusoctaxin A 以劑量依賴的方式恢復了 FG-Δfg3_54-RFP 侵染小麥的能力。

為了確定小麥在病原菌入侵過程細胞水平的相關防御反應，作者進行了小麥轉錄組測序研究。實驗設置了真菌產生 fusaoctaxin A 以及外源添加 fusaoctaxin A 的兩種處理條件，確定了處理 3h 和 24h 后，小麥基因組中表達均受到抑制的基因，868 和 862 個下調基因。通過 GO 富集分析發現，處理 3h 后，下調基因主要與葉綠體活性相關以及防御免疫反應相關通路相關。24h 后，與微管活動相關、細胞壁生成活動受到抑制。

禾谷鐮刀菌 fg3_54 基因簇編碼的八肽 fusaoctaxin A，能夠影響小麥細胞間的防御反應，當 fg3_54 基因簇被敲除時，禾谷鐮刀菌的侵染能力大大減弱，菌絲體難以滲透細胞壁，外源補充 fusaoctaxin A 后，侵染能力得到恢復。由此，作者提出了以短肽介導的小麥—禾谷鐮刀菌互作模型，深化了人們對于作物對病原菌防御機制的研究。

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