Nature子刊：RNA测序详解病原菌生活史

　　

生物通报道：世界上许多农作物都受到一类包括680多种菌种的真菌感染。在这种真菌的感染初期，病原菌在植物细胞中悄无声息地生长，而后会转变为更具破坏性的生活方式，并以死细胞为食。其中有些菌种完全转变为破坏性生长方式，其余菌种则能够同时保持两种生活模式。马克斯普朗克植物育种研究所Richard O'Connell领导的科学家团队发现了这两种真菌生活模式背后的遗传学基础。研究人员发现病原菌的生活方式决定了真菌基因组的组成以及特定基因的开启时间。他们还发现真菌感染结构具有出人意料的新功能。文章发表在Nature Genetics杂志上。

Colletotrichum炭疽菌属真菌通过风和雨水传播会导致植物腐烂和叶斑病。每年炭疽菌属真菌感染造成了农作物的巨大损失，经济损失达上亿欧元。其中有些菌种感染多种不同植物，而其余菌种都具有高度的选择性只感染一类宿主植物。O'Connell及其同事所研究的两种菌种具有不同的生活方式和宿主特异性。其中一种菌倾向于攻击十字花科植物，包括重要生物学模式植物拟南芥。在短短几个小时内，这种病原菌就会完全启动破坏植物细胞的代谢方式。这种真菌的两种生活方式（共存方式和破坏性方式）在时间上是分开的。研究人员研究的另一种菌特异性感染玉米。在宿主植物的部分区域它产生促进共存的蛋白，而在其他区域它会产生蛋白来破坏并消化植物细胞。此时，这种病原菌的两种生活模式所处的空间位置不同。

研究人员对这两种真菌基因组进行了测序，并在Illumina RNA测序平台上对其转录组进行了分析。“转录组揭示了基因组中哪些基因被开启及其开启的时间。目前已有不少真菌基因组已经被解码，但在此之前人们还从未得到如此详细的信息来确定植物感染中参与的基因及其参与的时机，”O'Connell说。例如，这两种基因组中半纤维素酶基因的数量相近，半纤维素酶可以分解植物细胞壁。不过研究发现，玉米真菌感染时开启的这类基因更多，因为玉米细胞壁中的半纤维素酶比拟南芥等十字花科植物多。“仅仅对基因组中这类基因的数量进行比较是无法发现这一差异的，必须要得到转录组的数据，”O'Connell解释道。

研究中两种病原菌的基因组大小相近，不过感染拟南芥的真菌基因组中基因更多，这可能是由于其宿主范围更广。特异性感染一种植物的病原菌所需的基因比感染多种植物的病原菌少。对于效应蛋白基因来说更是如此，效应蛋白基因是真菌逃避宿主防御反应所必须的。研究发现，两种真菌都拥有许多产生二级代谢产物的基因，二级代谢产物是可能有助于感染的小分子。“我们还没发现产生这么多二级代谢产物的其他植物致病真菌，”同样参与该研究的研究所成员Jochen Kleemann说。“这些二级代谢产物的相应基因在感染初期就打开了，有望成为植物保护措施的潜在目标，帮助植物抵御这类病原菌的侵害。不过首先我们需要更多的了解这些分子的功能，”

科学家们还发现了真菌附着胞（粘附结构）的新功能。真菌孢子落在叶片表面后会形成附着胞，建立高压将真菌推入植物细胞内，就像用指头戳充了气的气球。“这种粘附结构在叶片上开启的基因与其在塑料平面上完全不同。它肯定能通过某种途径识别所处的地点，”O'Connell说。研究显示，粘附器官不仅为真菌进入植物细胞敞开大门，还能够感知植物的存在，“人们在约130年前就已经发现了附着胞，但直到现在我们才首次发现它们也具有感知功能，”Kleemann说。

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Lifestyle transitions in plant pathogenic Colletotrichum fungi deciphered by genome and transcriptome analyses

Colletotrichum species are fungal pathogens that devastate crop plants worldwide. Host infection involves the differentiation of specialized cell types that are associated with penetration, growth inside living host cells (biotrophy) and tissue destruction (necrotrophy). We report here genome and transcriptome analyses of Colletotrichum higginsianum infecting Arabidopsis thaliana and Colletotrichum graminicola infecting maize. Comparative genomics showed that both fungi have large sets of pathogenicity-related genes, but families of genes encoding secreted effectors, pectin-degrading enzymes, secondary metabolism enzymes, transporters and peptidases are expanded in C. higginsianum. Genome-wide expression profiling revealed that these genes are transcribed in successive waves that are linked to pathogenic transitions: effectors and secondary metabolism enzymes are induced before penetration and during biotrophy, whereas most hydrolases and transporters are upregulated later, at the switch to necrotrophy. Our findings show that preinvasion perception of plant-derived signals substantially reprograms fungal gene expression and indicate previously unknown functions for particular fungal cell types.