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QY球友会生物提供。

研究内容

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)。

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。

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。

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。

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。

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