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中科院發現參與導致小麥赤霉病的新分子

發布時間:2019-4-11 8:36:26 來源:《農藥市場信息》傳媒 作者:劉剛

近期,國際學術期刊《自然-通訊》(Nature Communications)在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所唐威華研究組與中國科學院上海有機化學研究所劉文研究組合作完成的題為A Linear Nonribosomal Octapeptide from Fusarium graminearum Facilitates Cell-to-Cell Invasion of Wheat 的研究論文。該研究發現植物病原真菌禾谷鐮孢菌在侵染小麥期間,特異誘導次生代謝基因簇fg3_54表達,合成一個以前未知的線性非核糖體八肽-鐮孢菌素A(fusaoctaxin A),賦予鐮孢菌菌絲在小麥組織內從一個細胞穿壁入侵到旁鄰細胞擴展的能力。

禾谷鐮孢菌(Fusarium graminearum)是一種重要的植物病原真菌,它是引起許多作物嚴重病害,包括小麥赤霉病、冠腐病和幼苗枯萎病,以及玉米赤霉莖腐病和穗腐病的主要病原之一。禾谷鐮孢菌侵染不僅導致農作物嚴重減產,而且分泌單端孢霉烯類毒素,例如致嘔毒素DON等,污染作物,嚴重危害人類和動物的健康。而且近年來受氣候變化和耕作方式等影響,小麥赤霉病在全球多國的發生具有愈來愈嚴重的趨勢。與此同時,小麥對禾谷鐮孢菌的抗性資源有限,迄今為止只有PFT等少數抗病QTL基因被鑒定出來,還沒有完全抗性的品種可供使用。對禾谷鐮孢菌的致病分子機制的揭示將會有利于抗病設計。但限于禾谷鐮孢菌侵染小麥過程復雜等因素,目前鑒定出的禾谷鐮孢菌分泌產生的直接作用于寄主植物細胞并導致病害發生的毒力分子仍然很少,僅有致嘔毒素DON和分泌型脂酶FGL1等。

該研究團隊在前期建立小麥胚芽鞘侵染系統,顯微追蹤揭示禾谷鐮孢菌在胚芽鞘中的菌絲擴展分為三個時期:接種后16小時為代表的小麥細胞間延伸(intercellular growth),接種后40小時為代表的小麥細胞內分支生長(intracellular growth)以及接種后64小時為代表的從一個小麥細胞穿壁入侵相鄰細胞依次擴展(cell-to-cell invasion),進一步運用激光顯微切割技術獲得了禾谷鐮孢菌侵染小麥胚芽鞘的過程中接種后16小時、40小時及64小時這三個時期的高清表達譜。時期特異性的真菌表達譜分析揭示禾谷鐮孢菌3號染色體上以往認為不表達的相鄰八個基因在侵染64小時的菌絲穿壁侵染(cell-to-cell invasion)時期特異性表達。這八個基因串聯排列,其中包含兩個非核糖體多肽合成酶基因,組成一個未知產物的潛在次生代謝合成基因簇fg3_54。fg3_54以及其中單個基因的敲除突變體菌絲體外生長正常,但在侵染小麥胚芽鞘和麥穗時喪失了穿透寄主細胞間屏障的能力,被相鄰細胞的細胞壁加厚所阻礙,致病力大幅下降。之后研究發現基因簇內fgm4編碼b-ANK類轉錄因子新成員,在體外過表達后可以激活fg3_54各成員基因的轉錄,克服了野生型禾谷鐮孢菌不能在體外產生fg3_54產物的困難。fgm4過表達菌株發酵產物分析鑒定出fg3_54編碼的兩個非核糖體肽合成酶NRPS5和NRPS9的裝配產物是一個線性的、具有還原性C端且富含D型氨基酸的非核糖體八肽——鐮孢菌素A。喪失了鐮孢菌素A合成能力的fg3_54相關突變體侵染小麥的致病力均大幅下降,而外施化學合成的鐮孢菌素A能夠恢復突變體的致病力,恢復其在小麥組織內穿壁生長(cell-to-cell invasion)的能力。fg3_54基因簇同源序列存在于多個能夠侵染小麥的鐮孢菌中,例如燕麥鐮孢菌Fusarium avenaceum、黃色鐮孢菌Fusarium culmorum,而其他一些缺乏fg3_54同源基因簇的鐮孢菌,例如香蕉枯萎病菌Fusarium. oxysporum f. sp. cubense TR4 和梨孢鐮孢菌Fusarium poae,也不能夠侵染小麥胚芽鞘。有意思的是外施鐮孢菌素A還能使香蕉枯萎病菌和梨孢鐮孢菌獲得侵染小麥胚芽鞘的能力。此外,初步探索顯示鐮孢菌素A可能通過控制胞間連絲的開閉、抑制葉綠體光合相關活性等機制發揮作用。總之該研究發現并鑒定鐮孢菌素A是直接參與禾谷鐮孢菌與小麥相互作用的新分子。作為目前發現的唯一線性非核糖體肽類植物致病因子,鐮孢菌素A能夠幫助抑制寄主小麥的免疫防御反應,使鐮孢菌菌絲在小麥中能夠從一個細胞穿壁入侵旁鄰細胞依次擴展(cell-to-cell invasion)。該研究進一步解析了禾谷鐮孢菌侵染小麥的分子機理,補充了現有非核糖體多肽的種類及編碼規則,為小麥赤霉病防治提供新靶標和新思路。

該研究得到國家自然科學基金、科技部、中科院先導項目、轉基因專項等資助。


編輯人員:朱蓓蓓
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