【LorMe周刊】植病犯罪现场-复合侵染下弱致病菌作用新解
作者：张煜铃，南京农业大学硕士在读。主要研究青枯菌多态性与动态组控。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍复合侵染下病原菌入侵时空动态的变化对其致病力的影响。原文2020年发表在Molecular Plant Pathology上。
植物病害常常是几种不同病原菌混合侵染造成的，如镰孢菌属的多数成员可以引发小麦赤霉病。过去，人们以单一病原菌-寄主为模式研究病原菌与植物的互作机理，忽略了病原菌本身的复杂性。那么，病原菌的混合侵染是普遍现象，还是特殊情况？致病力不同的菌株侵染宿主的先后顺序是否影响发病过程？谁帮助了谁，谁又影响了谁？寄主植物又是如何响应的？这些问题一直悬而未决。根特大学Maarten Ameye团队就上述几个问题展开研究，发现欧洲小麦赤霉病的混合侵染现象十分普遍，超过70%；毒性不同的镰孢菌的混合侵染顺序影响赤霉病的病情、病原菌的定殖水平和小麦的免疫反应。此外作者还发现混合侵染提高了弱毒菌株梨孢镰刀菌的种群数量，这很可能是梨孢镰刀菌在欧洲肆意传播的重要原因。
科学问题：
病原菌复合侵染中病原菌不同成员侵染动态是否对宿主和其他成员产生影响？其作用机制如何？
研究思路：
为了回答上述问题，作者选择了弱毒菌株梨孢镰刀菌（F. poae 2516）和强毒菌株禾谷镰孢菌（F. graminearum PH-1）作为模式菌株。实验分析了病原菌入侵与时间动态的变化关系，通过光谱成像、转录组分析比较了预先接种弱致病菌、预先接种强致病菌、同时接种两种病原菌以及接种单一病原菌对病原菌感染部位（叶、小穗）的影响，发现预先接种弱致病菌能够抑制植物感病症状的出现同时减弱强致病菌的生物量。接着，作者对不同侵染水平下病原菌入侵激发的植物防御反应进行了研究，利用逆转录PCR技术获取宿主在不同处理下其防御基因的表达情况。结果显示，预先接种F. poae通过预先诱导植物中的防御基因表达从而阻碍F. graminearum PH-1的后续入侵，表明病原菌的入侵与其多样性以及先后顺序有关。
混合侵染现象普遍存在
作者首先分析了在比利时佛兰德斯七个地点17年的调查数据，对弱毒菌株梨孢镰刀菌（F. poae，简称弱毒菌株p）和强毒菌株禾谷镰孢菌（F. graminearum，简称强毒菌株g）在田间共存情况进行评估。结果显示，总共有7000多株麦穗（超过40多个品种）中存在镰孢菌属成员，其中梨孢镰刀菌单独存在情况占30.0％，而梨孢镰刀菌和禾谷镰孢菌共存现象占据31.2%，梨孢镰刀菌、禾谷镰刀菌和黄色镰刀菌（F. culmorum）三者共存的现象占15.4%（图1a，b）。多位点分析结果表明，梨孢镰刀菌、禾谷镰刀菌和燕麦镰孢菌（F. avenaceum）在田间共存现象普遍存在（图1c）。由于燕麦镰孢菌在田间发病率低，所以后续主要关注于梨孢镰刀菌和禾谷镰刀菌之间的相互作用。
图1 田间同一小穗上镰刀菌属成员侵染情况
预接种弱致病菌减弱强致病菌的致病力
为了了解弱毒菌株p在共侵染情况下对强毒菌株g侵染植物的影响。作者选择了带有荧光标记的强毒菌株g和野生型弱毒菌株p，在接种强毒菌株g之前加入弱毒菌株p孢子悬浮液。结果表明（图2），单一接种弱毒菌株p时植物未出现发病症状，说明其本身不引起植物发病。同时接种弱毒菌株p和强毒菌株g后，尽管存在植物感病现象，但与单一接种强毒菌株g相比其植物发病程度减弱。而预先接种弱毒菌株p后强毒菌株g致病症状消失，并且其FV/FM 值（反应植物健康程度）高于单一接种强毒菌株g的FV/FM 值。预先接种弱毒菌株p处理中，不仅植物感病症状减弱，强毒菌株g的生物量和红镰孢菌素的产量也逐渐减少。
图2 弱毒菌株p（F. poae）对强毒菌株g（F. graminearum）侵染植物的影响
注：p(2d) + g:强毒菌株g接种前2天预接种弱毒菌株p；w(2d) + g:强毒菌株g PH-1接种前2天用水预接种;p(1d) + g:强毒菌株g接种前1天预接种弱毒菌株p;w(1d)+ g:强毒菌株g接种前1天用水预接种;p + g:同时接种弱毒菌株p和强毒菌株g;w + g:同时接种水和强毒菌株g;w+ p:同时接种水和弱毒菌株p。
作者进一步分析了强毒菌株g在共侵染下是否对弱毒菌株p产生影响。选择了带有荧光标记的弱毒菌株p和野生型强毒菌株g进行实验。结果显示（图3），在接种病原菌后的第三天，单一接种弱毒菌株p处理的生物量减少，预先接种强毒菌株g处理中弱毒菌株p对植物病情发展无影响。以上结果表明预先接种弱致病菌会减弱强致病菌的致病力。
图3 强毒菌株g（F. graminearum）对弱毒菌株p（F.poae）侵染植物的影响
注：p(1d) + g: 强毒菌株g接种前1天预接种弱毒菌株p;p+ g:同时接种强毒菌株g和弱毒菌株p;w + g:同时接种水和强毒菌株g;w+ p:同时接种水和弱毒菌株p。
实验进一步分析了在FHB主要生态位小麦穗上弱毒菌株p对强毒菌株g致病的影响。评估结果表明，预先接种弱毒菌株p处理与单一接种弱毒菌株p处理，其发病症状随时间变化无显著差异。这结果与离体叶片实验结果一致。
图4 弱毒菌株p（F. poae）对强毒菌株g（F. graminearum）侵染植物的影响
预接种弱致病菌增强宿主对强致病菌防御
在感染早、晚期，植物利用水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）防御信号调控对病原菌的防御。所为了明确共侵染情况下宿主对于病原菌的防御调控过程，作者分析了SA生物合成酶（PAL、ICS)以及JA合成途径脂肪酶基因（LOX1、LOX2）的表达水平。实验结果显示，未接种弱毒菌株p的处理，PAL和LOX2基因上调，ICS和LOX1基因显著下调。但是，接种弱毒菌株p的处理中，防御基因表达发生了变化，接种后1天观察到LOX1和LOX2的早期诱导趋势，接种后2天观察到ICS的瞬态诱导。这表明虽然弱毒菌株p不引起植物感病症状的出现，但是会诱导植物体内的防御反应。
随后，作者还评估了三个重要的致病（PR）相关基因(PR1、PR4和PR5)和过氧化物酶(PEROX)的表达。弱毒菌株p均能诱导无症状发病株中PR相关基因和PEROX的表达。同时，这些基因也能被强毒菌株g诱导表达。
为了研究预先接种弱毒菌株p是否增强宿主对强毒菌株g的防御，作者结合真菌生物量和植物的健康状况对防御基因表达数据进行了主成分分析（PCR）。结果显示，在接种第一天，单一接种或提前接种弱毒菌株p与对照之间的关系较近，与调控宿主防御基因ICS和LOX2与FV / FM呈正相关，并且与单一接种或同时接种强毒菌株g距离较远。这些结果表明，预先接种弱致病菌能够促进宿主防御基因的表达。
这篇文章强调了混合侵染现象的普遍性以及病原菌混合侵染时其入侵顺序的重要性。在病原菌混合侵染中，优先进入植物体内的菌株，通过刺激宿主的免疫应答，增强对随后入侵菌株的免疫反应，这可能是在时间和空间尺度上物种具有异质性的重要原因之一。也有相关研究表明，宿主资源可能更容易被最先入侵菌株所利用，出现“先到先得”的情况，不利于后续其他病原菌的入侵和定殖。所以在研究病害时，不可以忽视病原菌在混合侵染中的入侵顺序，这对于了解个病害发生的动态过程并且为发现精准防控手段具有重要意义。
论文信息
原名：At the scene of the crime: New insights into the role of weakly pathogenic membersof the fusarium head blight disease complex
译名：复合侵染中赤霉病弱致病菌的作用新解
期刊：Molecular Plant Pathology
发表时间：2020.4
通讯作者：Maarten Ameye
通讯作者单位：根特大学