真菌植物病原体与内生菌在宿主初始定殖中的转录组对比：揭示致病与共生策略的分子机制

（编辑推荐）本研究通过比较转录组学揭示了禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）和金龟子绿僵菌（Metarhizium anisopliae）在分生孢子萌发和宿主定殖初期的基因表达差异。病原菌通过上调CAZymes（碳水化合物活性酶）、效应蛋白和次级代谢基因（如产毒基因簇）实现侵袭性定殖，而内生菌则依赖植物激素（如IAA）合成基因建立共生关系。该研究为理解真菌-植物互作的分子基础提供了新视角。

　　

摘要

分生孢子萌发是真菌生命周期中宿主定殖的起始步骤，决定了后续致病或共生关系的建立。禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）作为植物病原体，与内生性金龟子绿僵菌（Metarhizium anisopliae）同属肉座菌目（Hypocreales），但二者宿主互作策略迥异。研究通过比较转录组学分析四个萌发阶段（新鲜分生孢子、极性生长、菌丝延伸、附着胞形成或首次分枝），揭示了病原菌通过高表达CAZymes（如多糖裂解酶PL）、效应蛋白（如LysM结构域蛋白）和毒素基因簇（如单端孢霉烯族化合物）快速穿透宿主组织；而内生菌则下调CAZymes，上调吲哚-3-乙酸（IAA）合成通路基因，以激素调控实现温和定殖。首次报道了M. anisopliae在大麦根部形成附着胞的现象，为真菌-植物互作机制提供了新见解。

材料与方法

实验采用野生型F. graminearum PH-1和M. anisopliae ARSEF 549菌株，分别在PDA培养基和大麦宿主（叶片鞘/根）上培养。分生孢子萌发阶段通过显微观察确认，RNA-seq数据经HISAT2比对和DESeq2分析（LFC≥2，p-adj≤0.01）。CAZymes通过dbCAN2预测，效应蛋白由EffectorP v2.0鉴定，代谢通路分析基于FungiDB数据库。

结果

转录组差异
PCA显示两菌在宿主与培养基上的转录谱显著分离（图2）。F. graminearum在附着胞阶段上调基因数激增（31.4% CAZymes），而M. anisopliae仅7.4%（图4）。K均值聚类表明病原菌的次级代谢基因（簇1）和碳水化合物代谢基因（簇3）在宿主上高度活跃（图S3）。

CAZymes表达
F. graminearum基因组含更多CAZymes基因（170个），尤其在附着胞阶段80.3% PL基因上调，如果胶降解酶（PWY-7248）。M. anisopliae仅1个PL基因（MAN_03654）在宿主上表达（图4G），反映其非破坏性定殖策略。

次级代谢与激素
F. graminearum的11个单端孢霉烯族基因在附着胞阶段上调（表2），而M. anisopliae通过色氨酸代谢通路（PWY-6307）激活IAA合成基因（如邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶）（表S12），促进根系生长。

效应蛋白
两菌均上调LysM效应蛋白以抑制几丁质触发的免疫反应。F. graminearum还高表达疏水蛋白和坏死诱导蛋白（Egh16-like结构域），而M. anisopliae依赖钙通道抑制剂（Killer toxin Kp4）等效应物（图5）。

讨论

研究揭示病原菌与内生菌定殖策略的分子分歧：F. graminearum通过“CAZymes-效应蛋白-毒素”三联攻击突破宿主防御，而M. anisopliae采用“IAA-低CAZymes”模式建立互惠关系。LysM效应蛋白的保守上调暗示其在真菌-植物互作中的核心地位。未来研究可结合蛋白质组学进一步解析这些基因的功能网络。

（注：全文数据均源自原文，未添加非文献支持结论）