玉米叶鞘斑病病原菌Epicoccum sorghinum近乎完整基因组与侵染转录组的解析

本研究针对中国新发玉米叶鞘斑病病原菌Epicoccum sorghinum，通过牛津纳米孔GridION和Illumina NovaSeq 6000双平台测序，获得32.69Mb近乎完整的无间隙核基因组（含12条完整染色体）及61.24kb线粒体基因组，注释出11,779个蛋白编码基因。通过时序RNA-Seq分析揭示4,058个侵染诱导基因，鉴定出效应因子、碳水化合物活性酶（CAZymes）等潜在毒力因子，为解析该病原菌的分子致病机制提供了关键资源。

　　

玉米作为全球第二大粮食作物，其生产正面临真菌性疾病的严峻威胁。近年来，由Epicoccum sorghinum（又称Phoma sorghina）引起的玉米叶鞘斑病在中国快速蔓延，这种病原菌不仅能通过伤口侵染玉米叶片和叶鞘，还会产生具有毒性的次生代谢产物tenuazonic acid，严重威胁粮食安全。更令人担忧的是，该病原菌具有广谱寄主适应性，已在小麦、水稻等重要作物上引发类似病害。然而，科学界对其分子致病机制的认识仍存在巨大空白。

为破解这一科学难题，中国农业大学植物保护学院植物病理学系的研究团队对E. sorghinum强毒株NJC07展开了系统性研究。通过整合三代纳米孔长读长和二代Illumina短读长测序技术，研究人员成功构建了该病原菌的高质量基因组图谱——包含12条端粒到端粒完整测序的染色体，基因组大小32.69Mb，注释出11,779个蛋白编码基因。尤为重要的是，比较基因组分析发现，尽管玉米、高粱和甘蔗致病菌株间基因组相似度达91%以上，但玉米致病株NJC07特有的2,291-3,916个基因可能与其宿主适应性进化密切相关。

为揭示病原菌的侵染策略，研究团队通过时序转录组分析（48/96 hpi）鉴定出4,058个侵染诱导基因，其中CAZymes（碳水化合物活性酶）基因的差异表达模式尤为显著：纤维素酶（cellulolytic）、木质素降解酶（ligninolytic）和果胶酶（pectinolytic）等细胞壁降解酶系在侵染早期（48 hpi）即被强烈激活，而淀粉降解酶（starch-degrading）等则在后期（96 hpi）显著上调。这种时序调控模式与病原菌采用"先破壁后取食"的坏死营养型侵染策略高度吻合。

研究还发现，效应因子基因呈现两极化分布：约60%的效应因子富含半胱氨酸（>3% Cys），这类蛋白可能参与宿主免疫系统的干扰；而其余效应因子则具有典型的分泌蛋白特征（如信号肽）。通过全基因组共线性分析（图2），研究人员在NJC07特有基因组区段发现了多个次级代谢基因簇，这些基因簇可能编码宿主特异性毒素或其他致病相关化合物。

关键技术方法包括：1）采用GridION纳米孔长读长（最长157.84 kb）与NovaSeq 6000短读长（2×150 bp）双平台测序；2）运用Falcon-Canu-Pilon混合组装策略构建无间隙基因组；3）通过EVidenceModeler整合ab initio、同源预测和转录组证据进行基因注释；4）基于感染时间序列（48/96 hpi）的RNA-Seq分析差异表达基因。

主要研究结果：

基因组特征：组装获得22条核基因组contig（N50=1.66 Mb）和完整线粒体基因组（61.24 kb），BUSCO评估显示96.21%的保守真菌基因完整存在。

比较基因组学：玉米致病株NJC07与甘蔗致病株BS2-1基因组相似度达99.04%，但存在2个显著基因组重排事件。

侵染转录组：鉴定出3,357（48 hpi）和3,658（96 hpi）个上调基因，其中CAZymes和效应因子基因显著富集。

毒力因子预测：发现136个候选效应因子和428个CAZymes，包括GH（糖苷水解酶）和CE（碳水化合物酯酶）家族成员。

这项发表于《Scientific Data》的研究首次提供了E. sorghinum的高质量参考基因组，其重要意义在于：1）为理解该病原菌宿主适应性进化提供了分子基础；2）鉴定的毒力因子可作为抗病育种的潜在靶标；3）建立的侵染基因表达谱为开发新型防控策略指明了方向。随着全球气候变化背景下作物病害谱的演变，这类基础性研究将为保障粮食安全提供关键科学支撑。