基于转录组测序的Fusarium thapsinum对高粱的感染机制分析

《Physics of Life Reviews》：Infection mechanism analysis of Fusarium thapsinum to sorghum based on transcriptome sequencing

尖孢镰刀菌感染高粱的分子机制研究通过转录组测序分析不同感染阶段基因表达动态和代谢通路变化，发现其通过分泌细胞壁降解酶（如聚半乳糖醛酸酶、角质酶）破坏宿主细胞壁，并调控脂肪酸、自噬、氨基酸和糖代谢等关键通路，为病害防治提供理论依据。

　　

陈敏苏|袁莉|曾世岩|任玉婷|杨传航|王立成

四川科技工程大学酿酒粮食工程技术研究中心食品与酒类工程学院，中国宜宾644000

引言

高粱是全球第五大富含碳水化合物的作物，具有耐旱、耐低土壤肥力和高适应性的特点，被广泛用于食品、酿造、饲料生物燃料生产以及缓解饥饿和保障粮食安全[1,2]。然而，近年来，受气候变化、自然环境恶化以及种植密度增加的影响，高粱病害的频率和严重程度显著增加，尤其是由Fusarium thapsinum引起的病害呈现出爆发趋势[3,4]。Fusarium thapsinum属于Fusarium fujikuroi物种复合体（FFC），是一种在自然界中广泛分布的病原真菌，通常从高粱中分离出来[5,6]。该真菌可以感染高粱的茎秆、种子、根冠等部位，导致多种病害，如茎腐病和谷物霉变[7,8]。被Fusarium thapsinum感染的高粱叶片会出现红斑，这些红斑会逐渐加深、扩大并融合，最终导致整片叶片坏死[9]。Fusarium thapsinum不仅会大幅降低高粱产量，还会降低籽粒品质，造成严重的经济损失[7]。

尽管Fusarium thapsinum对高粱造成的危害日益严重，但关于其致病机制的研究却相对较少。该真菌可能编码细胞壁酶以帮助其侵入高粱组织，同时还能分泌次级代谢产物（如植物激素类似物）来增强其对高粱的致病性[10,11]。然而，与其他大多数高粱病原菌不同，Fusarium thapsinum对高粱木质素途径产生的酚类化合物具有耐受性，这使得传统方法难以有效控制其危害[12,13]。因此，进一步研究Fusarium thapsinum的感染机制对于防治相关病害至关重要。

效应子在植物病原体与宿主之间的相互作用中起着关键作用，它们可以通过多种机制干扰植物免疫系统，促进病原体对植物的感染。例如，Fusarium分泌的Nep1样蛋白能够刺激植物免疫反应并诱导细胞坏死，从而增强腐生病原体的致病性[14]。III型分泌蛋白对于Pseudomonas solanacearum分泌干扰植物免疫系统的化合物至关重要[15]。其他与致病性相关的效应子包括多种酶，其中蛋白酶参与抑制植物免疫系统，角蛋白酶则用于分解植物细胞壁。这些效应子还可能导致叶片黄化、萎蔫和坏死[16-20]。植物病原体的效应子通常参与植物的氨基酸、糖类和脂肪酸代谢以及自噬等代谢途径[21]。研究表明，在病原体感染植物后，差异表达基因（DEGs）的数量和表达水平会发生显著变化，相关代谢途径也会发生动态变化[22]。然而，目前尚无研究揭示Fusarium thapsinum感染高粱过程中的基因表达和代谢途径的动态变化。

RNA测序（RNA-seq）已被广泛用于研究植物-病原体相互作用机制，揭示与抗病性或致病性相关的基因和代谢途径。RNA-seq能够获取大量信使RNA（mRNA）转录本信息，并识别参与各种生物过程的DEGs[23-27]。在Triticum aestivum与白粉病相互作用的研究中，RNA-seq揭示了多个与病原体感染相关的基因和代谢途径[28]；在Oryza sativa与Magnaporthe oryzae相互作用的研究中，也通过RNA-seq鉴定出多个关键毒力基因和代谢途径[29]。

由于缺乏关于Fusarium thapsinum感染过程中转录组特征及其与高粱相互作用机制的研究，本研究旨在分析不同感染阶段Fusarium thapsinum的转录组，挖掘与其致病性相关的基因和代谢途径，以及它们与高粱之间的相互作用机制。这有助于深入理解Fusarium thapsinum的致病机制，并为抗病提供理论基础。

实验部分

Fusarium thapsinum的培养与接种

从中国宜宾市南溪区（28°79’ N, 104°97’ E）分离出的Fusarium thapsinum FL-4菌株，在无菌条件下接种到马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养基中，28°C下培养7天。当培养物形成菌落后，挑选单根菌丝重新接种到另一个PDA培养基中，继续在28°C下培养7天以获得用于接种的单克隆菌落。将这些单克隆菌落收集到无菌水中用于喷洒。

转录组数据的质量控制

感染3天后，高粱叶片上出现红斑；7天后，红斑进一步扩大（见图1）。通过转录组测序，从9个样本中获得了共计78G的数据。每个对照样本的数据量约为6G，每个接种样本的数据量约为10G。S1和S2样本中Fusarium thapsinum的清洁读段占比分别为1.83‰和0.65‰。经过过滤后，分别获得了39,317,438–94,126,798条清洁读段，GC含量范围为49.85%

讨论

在Fusarium thapsinum感染早期，GO（Gene Ontology）注释中主要富集了与酶活性相关的基因。上调的分泌蛋白基因包括果胶裂解酶、角蛋白酶和某些糖苷酶，这些酶可能参与分解果胶、角蛋白和纤维素等细胞壁成分。因此，在感染早期，这些酶可能帮助Fusarium thapsinum>破坏宿主细胞壁。此外，还有一些生物过程也参与了这一过程...

结论

Fusarium thapsinum>通过改变代谢途径并分泌效应子来感染宿主，其代谢途径随着感染时间的延长而动态变化，从跨膜运输逐渐发展为信号传导，最终涉及能量和物质代谢。在Fusarium thapsinum感染高粱的过程中，脂肪酸、自噬、氨基酸和糖类代谢是关键途径。在感染后期，三羧酸循环和丙酮酸代谢也发挥了重要作用。

CRediT作者贡献声明

陈敏苏：撰写初稿、资料收集、数据分析、正式分析。袁莉：审稿与编辑。曾世岩：资料收集、数据分析。任玉婷：资料收集、数据分析。杨传航：资料收集、数据分析。王立成：撰写初稿、审稿与编辑、软件使用、资料获取、资金申请。

伦理审批与参与同意

不适用。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32402341）、宜宾市农业科技创新项目（项目编号：2023–03）以及四川酿酒粮食工程技术研究中心开放基金（项目编号：2023–03）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢资助方的支持，同时感谢Lei Deying在研究过程中提供的高粱管理协助。