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【伯豪文献】 Nature Communication揭示小麦-禾谷镰刀菌以短肽介导的互作机制

2019-09-02点击40次
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单位:中科院上海植生所

影响因子:11.878

使用服务:转录组测序


文章摘要

        禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)在农业产业中具有重大的经济影响。禾谷镰刀菌最常见于小麦和大麦,据估计,禾谷镰刀菌造成的生产损失可高达50%。中科院植生所唐威华教授团队与有机所刘文教授团队,近日在国际知名杂志《Nature Communication》上发表了禾谷镰刀菌侵染小麦的相关机制研究成果。文章指出禾谷镰刀菌的一个次级代谢产物合成基因簇fg3_54,可能编码了其毒力因子,fusaoctaxin A。对fg3_54进行敲除,禾谷镰刀菌的侵染能力大大减弱,外源添加fusaoctaxin A后,禾谷镰刀菌侵染能力得到恢复,通过进一步研究,文章提出了fusaoctaxin A介导的侵染模型。其中,小麦转录组测序服务由伯豪生物提供。




研究内容

fg3_54基因簇结构

       禾谷镰刀菌fg3_54基因簇在感染小麦胚芽鞘后,呈现出特异性高表达,而在体外环境中,fg3_54基因簇几乎检测不到表达。fg3_54基因簇包含两个多功能结构基因,nrps5 (FGSG_13878) 和nrps9(FGSG_10990),编码非核糖体合成肽酶,以及6个其它基因fgm5 (FGSG_10995), fgm4 (FGSG_10994), fgm3 (FGSG_10993), fgm2 (FGSG_10992), fgm1 (FGSG_10991)以及fgm9 (FGSG_10989)。

FG3_54基因簇结构图示


fg3_54突变株侵染能力下降


      为了验证fg3_54基因簇的表达是侵染过程发生的必要条件,作者构建了基因簇整体敲除株(FG-Δfg3_54),以及单个基因敲除株(FG-Δfgm4, FG-Δfgm3, FG-Δfgm1, FG-Δfgm9, and FG-Δnrps5)。这些突变株在培养条件下与野生型无明显差异,但在接种小麦后,这些突变株诱导形成的枯萎症小穗数量显著减少。在接种发生2.5天后,相较于野生型,突变株菌丝密度低和侵染面积更小。FG-Δfg3_54的菌丝往往滞留于胚芽鞘表皮细胞的凹凸边缘处,而野生株菌丝则能够渗透进表皮细胞屏障。接种8天后,野生株菌丝到达小花基部轴上,而突变株几乎没有在小花基部轴上有发现。

fg3_54突变株侵染能力下降


NRPS5 和NRPS9的产物是一个八肽


        作者构建了过表达株WT-OE::fgm4,在与FG-Δfg3_54的比较中发现WT-OE :: fgm4积累了一种新产物,随后改产物被鉴定为线性八肽fusaoctaxin A,将fusaoctaxin A以不同浓度添加到FG-Δfg3_54-RFP突变体接种的小麦胚芽鞘上。结果表明fusoctaxin A以剂量依赖的方式恢复了FG-Δfg3_54-RFP侵染小麦的能力。

NRPS5 和NRPS9的产物是一个八肽


fusaoctaxin A 暴露后小麦转录组变化


        为了确定小麦在病原菌入侵过程细胞水平的相关防御反应,作者进行了小麦转录组测序研究。实验设置了真菌产生fusaoctaxin A以及外源添加fusaoctaxin A的两种处理条件,确定了处理3h和24h后,小麦基因组中表达均受到抑制的基因,868和862个下调基因。通过GO富集分析发现,处理3h后,下调基因主要与叶绿体活性相关以及防御免疫反应相关通路相关。24h后,与微管活动相关、细胞壁生成活动受到抑制。

fusaoctaxin A 暴露后小麦转录组变化




小麦—禾谷镰刀菌互作模型


        禾谷镰刀菌fg3_54基因簇编码的八肽fusaoctaxin A,能够影响小麦细胞间的防御反应,当fg3_54基因簇被敲除时,禾谷镰刀菌的侵染能力大大减弱,菌丝体难以渗透细胞壁,外源补充fusaoctaxin A后,侵染能力得到恢复。由此,作者提出了以短肽介导的小麦—禾谷镰刀菌互作模型,深化了人们对于作物对病原菌防御机制的研究。

小麦—禾谷镰刀菌互作模型


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