科研 |INT J MOL SCI：寡雄腐霉（生防菌）触发葡萄抗病响应并改变致病真菌转录组
编译：YQ，编辑：景行、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
在植物上施用生物防治剂（BCA）可以有效控制病害，例如葡萄树干病（GTD），尤其是危害严重的埃斯卡疾病（真菌病害）。基于深绿木霉菌株I-1237和SC1的生防剂已应用于田间埃斯卡病的防治。提高对生防剂分子机制的理解将有助于生物防治的发展。
本研究选择的生防菌是寡雄腐霉（Pythium Oligandrum），这种菌存在于许多植物根际，包括葡萄，而且具有抵抗许多植物病原体的潜力。寡雄腐霉对植物的保护作用主要通过寄生、拮抗和争夺营养等途径对病原菌产生直接作用，或通过诱导植物寄主抗性抵抗病原菌。其中，寡雄腐霉产生的类激发素蛋白、过氧化物酶可触发寄主抗性。研究表明用寡雄腐霉处理葡萄根可减少灰霉病感染，并抑制病原真菌厚孢小褐球壳（Phaeomoniella chlamydospora）和小新壳梭孢（Neofusicoccum parvum）的生长。
本研究通过转录分析，深入探究葡萄、生防菌寡雄腐霉、病原真菌厚孢小褐球壳三者之间的互作机制。首先，获取病原侵染以及生防菌接种的葡萄转录组响应，鉴定防御相关基因。然后，继续探究生防菌对病原菌的转录组影响。本研究全面地揭示了生防菌对病害直接和间接影响的分子机制
论文ID
原名：The Biocontrol Root-Oomycete, Pythium Oligandrum, Triggers Grapevine Resistance and Shifts in the Transcriptome of the Trunk Pathogenic Fungus, Phaeomoniella Chlamydospora
译名：寡雄腐霉（生防菌）触发葡萄抗病响应并改变致病真菌转录组
期刊：International Journal of Molecular Sciences
IF：4.556
发表时间：2020年9月
通讯作者：Patrice Rey
通讯作者单位：法国波尔多大学葡萄与葡萄酒学院
DOI号：10.3390/ijms21186876
实验设计
试验材料。选择寡雄腐霉在葡萄根定殖平均水平39%的样品，接种厚孢小褐球壳。在0dpi（病原接种后2小时）和14dpi（病原接种后14天）采集藤木接种点附近，-80℃液氮冻存。
转录组分析。提取藤木样品RNA，采用基因芯片杂交法对比葡萄藤转录组，Limma识别差异表达基因。RNA-seq对比厚孢小褐球壳转录组，Antismash识别病原次生代谢基因簇。
结果
在0-14dpi对寡雄腐霉处理的葡萄植株进行转录组分析，结果显示共有189个基因差异表达，其中70%基因在0dpi高表达（图1）。应激相关基因（抗病蛋白和热休克蛋白）在0dpi时高表达，而多胺代谢基因（S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶，SAM）和乙酰转移酶相关基因在14dpi时高表达。激素相关基因中，乙烯、赤霉素、水杨酸相关基因在0dpi高表达，细胞分裂素相关基因在14dpi高表达。AP2-EREBP转录因子在0dpi高表达，而bHLH在14dpi高表达。
本研究对比了接种厚孢小褐球壳和寡雄腐霉+厚孢小褐球壳的葡萄藤转录组。分析得0-14dpi的差异表达基因：对照组1371个、病原接种2235个、病原+生防菌接种1858个（图2）。获取各处理的特异表达基因进行功能类别富集，在植物发生损伤（模拟接种或病原接种）情况下，最显著的富集是“次生代谢”。在所有处理组中，涉及苯丙烷生物合成的几个基因在0dpi高表达（图3），这些基因包括3个肉桂醇脱氢酶（CAD）和1个4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL）。激素相关基因也有显著富集，其中茉莉酸相关基因最多（图4）。有2个基因在病原菌+生防菌联合接种下高表达，其中一个与乙烯相关，另一个是丙二烯氧化物环氧化酶，与茉莉酸生物合成相关。其它茉莉酸相关基因包括脂氧合酶、氧化丙二烯合酶、植物二烯酸还原酶，表明茉莉酸途径是植株对病原真菌的重要防御途径。此外，应激相关基因和转录因子中也存在大量差异表达基因（图5）。结果显示联合接种下转录因子的差异表达基因比病原接种时多，比如AP2-EREBP、bHLH、MYB、WRKY转录因子，其中AP2-EREBP表达差异最为显著。
图2. 模拟接种、病原接种、病原+生防菌接种下葡萄藤转录组的时空差异表达基因数量。
图3. 苯丙素生物合成相关的差异表达基因。
图4. 激素相关的差异表达基因。
图5. 转录因子相关的差异表达基因。
2 厚孢小褐球壳的转录组响应
本研究用RNA-seq探究厚孢小褐球壳对生防菌处理的影响，使用的参考基因组包括7279个注释基因。RNA-seq数据中包括2347个注释基因，其中1130个共有表达基因，生防菌处理特异表达基因754个（图6）。生防菌诱导厚孢小褐球壳中573个基因表达上调和557个基因表达下调。
对碳水化合物活性酶（CAZymes）和次生代谢相关基因进行精确注释，次生代谢相关基因如图7所示。分析发现萜烯合成有关基因簇：5个与非核糖体肽合成（Nrps）相关，7个与Ⅰ型聚酮合成酶（T1pks）相关。有4个T1pks基因在生防菌处理中表达水平较高。CAZymes涉及植物多糖的降解，本研究RNAseq中发现6类：糖苷水解酶、糖基转移酶、碳水化合物结合组件、碳水化合物酯酶、辅助因子、多糖裂解酶。
本研究RNA-seq后发现多个碳水化合物活性酶基因，生防菌处理下表达279个，而对照下表达230个。碳水化合物活性酶基因表达在生防菌处理下有明显改变。通过BlastP比对可寻找厚孢小褐球壳次生代谢过程调控的基因，并进一步在Uniprot进行注释，结果表明共有34个基因表达，其中22个基因在生防菌诱导下高表达。这些基因大多数参与蛋白激酶（PK）途径，如细胞壁重塑、真菌拮抗、侵袭生长（图8）。而参与渗透调节、形态建成的基因表达下调。
其它参与次生代谢调节的基因包括参与氧化还原、PH调节、碳源的基因（图9）。其中有4个基因与氧化还原状态调节有关，其中的HapE和Fkh1/2基因在仅有病原体存在时不表达，而生防菌诱导下高表达。而另外两个参与氧化还原状态的基因Yap1和HapC在仅有病原存在时高表达。参与PH调节和碳源的基因PacC和CreC在生防菌诱导下高表达。
图6. 厚孢小褐球壳（感染寡雄腐霉）转录组下的基因数量。
图7. 厚孢小褐球壳中次生代谢相关基因的表达水平。Nrps：非核糖体肽合成酶；t1pks：1型聚酮类合成物；浅蓝色表示表达下调，深蓝色表示表达上调。
图8. 植物病原真菌的蛋白激酶途径。红色圆圈P表示磷酸化的氨基酸，饼图黄色表示生防菌诱导该基因的表达水平。AC：腺苷酸环化酶；PKAc：蛋白激酶A催化亚基；TORC1：雷帕霉素复合体靶点。
图9. 真菌次生代谢基因簇的调控蛋白（RP）。饼图黄色表示生防菌诱导该基因的表达水平。
讨论
研究表明寡雄腐霉与植物根系建立复杂的互作关系，本研究描述了葡萄藤受寡雄腐霉根定殖时的转录组变化。寡雄腐霉可保护葡萄藤免受病原体攻击，包括致病真菌厚孢小褐球壳。
本研究针对接种处理0-14dpi后葡萄藤的转录响应，结果显示寡雄腐霉诱导189个基因表达，苯丙烷生物合成、激素通路和转录因子的表达水平在0dpi时比14dpi更高。表达谱显示JA/ET通路基因的表达受生防菌诱导，且病原侵染时寡雄腐霉使植物防御反应更强烈。生防菌诱导下葡萄中编码ACC合成酶、丙二烯氧化物环氧化酶、bHLH和AP2-ERBP转录因子，这些基因参与抗病性调控。
本研究表明寄生于葡萄的厚孢小褐球壳仅有463个转录本，而寡雄腐霉处理诱导了753个转录本表达。因此葡萄根水平上的生防菌存在，间接影响了藤上致病真菌的转录响应。研究表明厚孢小褐球壳能产生几种具有植物毒性的次生代谢产物（毒素），但存在生防菌时编码NRPS的三个基因未表达，这些基因与毒性多肽的合成相关。然而编码t1pks的基因当生防菌存在时仍高表达，这些基因参与五醋酸萘醌毒素合成。这些结果表明寡雄腐霉对病原菌次生代谢物基因表达有间接影响。此外，碳水化合物活性酶的转录也受到影响，CAZymes时催化碳水化合物分解、生物合成和修饰的蛋白质。其中的糖苷水解酶参与纤维素和半纤维素的降解，在生防菌存在时表达下调。然而参与磷酸活化的糖基转移酶分泌更多，可以推测病原菌受到胁迫时需要分泌酶获得能量来源。
更多推荐
1 科研 | COMPUT STRUCT BIOTEC：缺铁引起面包小麦转录组的变化
END