一种混合基因组组装技术揭示了来自印度的一种高致病性黑粉菌（Ustilaginoidea virens）分离株中的关键致病性特征

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《Physiological and Molecular Plant Pathology》：A hybrid genome assembly reveals key pathogenicity signatures in a virulent Ustilaginoidea virens isolate from India

【字体：大中小】 时间：2026年02月16日 来源：Physiological and Molecular Plant Pathology 3.3

编辑推荐：

　　稻瘟假腥病病原菌U. virens基因组测序揭示其致病机制，包含7444个蛋白基因，发现大量SNP/INDEL和SSR位点，CAZyme富集支持半寄生生活方式，鉴定71个效应蛋白，证实SCRE2A/B在早期侵染中起关键作用，为生物防治提供新靶点。

印度农业研究学院（ICAR）植物病理学系，新德里-110012，印度

摘要

Ustilaginoidea virens 是导致水稻假黑穗病的病原体，该病会对作物产量和谷物质量产生不利影响。尽管其重要性日益增加，但 U. virens 的致病机制在分子层面仍大多未被探索。我们利用纳米孔（Nanopore）和Illumina平台相结合的混合测序技术，对一种高毒力菌株Uv2_4G进行了高质量的全基因组组装和注释。组装得到的基因组（约35.9 Mb；GC含量49%，包含89个支架）包含7,444个蛋白质编码基因。通过比较基因组分析，发现了包括3,55,173个SNP、8,03,524个INDEL和7,390个SSR在内的遗传变异。CAZyme分析显示，该菌株富含糖基水解酶（35%）、糖基转移酶（32%）和碳水化合物结合模块（20%），这些成分对宿主定殖至关重要。相比之下，辅助酶类（如碳水化合物酯酶和多糖裂解酶）的相对较低丰度表明 U. virens 对细胞壁分解和木质素降解的依赖性有限，这支持了其生物营养型或半生物营养型的生活方式。此外，该菌株还拥有6个与特定生物过程相关的独特基因簇。另外，还鉴定出2,708个与致病性相关的基因，这些基因涉及信号传导、转录和表观遗传调控、胁迫耐受性、铁吸收、代谢适应、昼夜节律调节以及宿主-病原体相互作用。通过对预测蛋白质组的分泌组分析，发现了71个潜在效应子。基于q-PCR的验证结果表明，在感染早期阶段，富含半胱氨酸的效应子（SCRE2A和SCRE2B）的表达水平较高，这表明这些效应子可能在印度条件下用于疾病控制策略。这些发现为 U. virens 的致病机制提供了新的见解，并为后续的功能基因组分析和改进的疾病管理方法奠定了基础。

引言

水稻（Oryza sativa L.）是全球第三大重要谷物作物，年产量达5.03亿吨[1]。作为主要的主食作物，它养活了全球超过一半的人口，尤其是在亚洲地区。近几十年来，由 Ustilaginoidea virens 引起的水稻假黑穗病（RFS）已成为水稻生产的主要限制因素[2]。该病首次于19世纪在泰米尔纳德邦的蒂鲁内尔韦利（Tirunelveli）被描述，历史上曾被视为丰收的标志。然而，如今它已被认为是最具破坏性的水稻花部疾病之一，在主要水稻种植区的发病率在5%到50%之间[4, 5, 6]，在极端适宜的环境中，损失甚至可达到50%-70%，与稻瘟病和鞘腐病造成的损失相当[7, 8]。除了降低产量外，U. virens 还会产生如乌斯蒂洛毒素（ustiloxins）和乌斯蒂拉吉诺伊丁（ustilaginoidins）等霉菌毒素，对人类和动物健康构成严重威胁[9, 10, 11]。RFS的日益普遍归因于杂交品种的广泛采用、过量施用氮肥以及气候变化[8, 12]。

U. virens 的感染始于分生孢子在叶片和小穗等营养结构上的定殖。随着抽穗期的开始，分生孢子萌发并侵入小穗，形成特征性的黑穗球，包裹住花器官[13, 14]。尽管其重要性日益增加，但由于 U. virens 在合成培养基上的生长缓慢以及在受控条件下进行致病性检测的挑战，对其致病性和毒力机制的理解进展有限。下一代测序技术的进步使得能够更详细地分析宿主-病原体相互作用，并识别出参与致病性和毒力的基因。

先前的全基因组分析强调了效应子在早期感染、抑制超敏反应以及宿主适应中的作用[15]。此外，感染 U. virens 时还会诱导参与霉菌毒素、生物碱和色素合成的代谢途径[15]。从Uv_8b和Uv_IPU1010基因组研究中也发现了与乌斯蒂洛毒素合成相关的基因簇[15, 16, 17]，并将 U. virens 菌株Uv_GVT的基因组与NCBI数据库中的Uv_8b和Uv_IPU010基因组进行了比较[15, 16]。还有一些 U. virens 基因被鉴定并验证了其在致病性中的作用，例如Uvt3277、USTA、UvSLT2、UvHOG1、UvPRO、UvSUN2、SCRE1、SCRE2和Uv1261[18, 19, 20, 21, 22, 23]。大多数鉴定出的基因在菌丝生长、细胞完整性、胁迫反应和分生孢子形成中起重要作用，而只有少数基因（如SCRE2和Uv1261）参与建立完全毒力和抑制植物免疫[21, 23]。

我们的初步研究调查了2019-2024年间印度主要水稻种植区（安得拉邦、哈里亚纳邦、梅加拉亚邦、奥里萨邦、特里普拉邦、特伦甘纳邦、北方邦和北阿坎德邦）的病情发生情况，随后使用ITS和SSR标记进行了形态特征分析和遗传多样性分析[24]。此外，我们还开发了一种使用马铃薯蔗糖琼脂（PSA）培养基分离 U. virens 的改进方法[25]。为了更好地了解这种病原体，需要进行高质量基因组测序，以提供关于水稻假黑穗病发展的分子机制的见解。因此，本研究旨在利用纳米孔和Illumina平台组合技术，生成并分析一种高毒力印度菌株 U. virens（Uv2_4G）的深度混合基因组组装。这种方法旨在识别可能在致病性和毒力中起关键作用的候选基因和效应子，从而为更好地理解感染和疾病发展的分子机制提供宝贵信息。

部分内容摘录

Ustilaginoidea virens（Uv2_4G）菌株的形态特征

Uv2_4G菌株是从北方邦马哈拉杰甘杰（Maharajganj）收集的受感染水稻品种‘Samba Mahsuri’（BPT 5204）的穗中获得的[26]。分离过程采用了我们实验室标准化了的基于PSA的方法[25]。在27°C下培养14天后，记录了菌落的直径、色素沉着和生长特性。

全基因组测序所需的DNA分离、纯化与确认

将U. virens Uv2_4G的单分生孢子培养物在27°C、120 rpm条件下于马铃薯蔗糖肉汤（PSB）中培养7天。之后收集菌丝体

U. virens（Uv2_4G）的形态和分子特征

‘Samba Mashuri’（BPT 5204）水稻品系上出现了假黑穗症状，穗部形成了特征性的黑穗球（图1a）。在27°C下培养14天后，U. virens Uv2_4G菌株在PSA培养基上形成了明显可见的圆形白色菌落，并伴有隆起的菌丝生长（图1b）。基于ITS的测序确认了该菌株的身份，与U. virens（Uv-314株）的相似度为99.82%。

基因组测序、混合组装与注释

高毒力菌株Uv2_4G（GenBank MT312812.1）使用混合测序技术进行了测序

讨论

由 Ustilaginoidea virens 引起的水稻假黑穗病会显著降低谷物产量和质量[15]。这种病原体具有复杂的感染策略，包括分泌效应子蛋白来操纵宿主免疫系统，但其背后的分子机制仍不甚清楚[40]。以往对 U. virens 的研究主要集中在感染过程[41, 42]、霉菌毒素[43]和致病因子[44, 45]等方面。

结论

由于对作物产量和谷物质量的显著影响，水稻假黑穗病已成为全球日益关注的问题。在本研究中，我们解码了一种高毒力 U. virens 菌株（Uv2_4G）的基因组，并研究了其关键的致病特征，包括效应子和CAZymes。这有助于我们了解这种真菌如何在分子层面适应宿主并引发疾病。致病相关基因的时序表达模式揭示了特定阶段的

CRediT作者贡献声明

阿希什·库马尔·古普塔（Ashish Kumar Gupta）：撰写 – 审稿与编辑、资源提供、实验研究。加内桑·普拉卡什（Ganesan Prakash）：实验研究、数据分析。纳贾姆·瓦里斯·扎伊迪（Najam Waris Zaidi）：撰写 – 审稿与编辑、实验研究。苏尼尔·库马尔·苏纳尼（Sunil Kumar Sunani）：方法学设计、数据分析。比什努·玛雅·巴夏尔（Bishnu Maya Bashyal）：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。S. 戈帕拉·克里希南（S. Gopala Krishnan）：撰写 – 审稿与编辑、监督。萨普娜·夏尔玛（Sapna Sharma）：初稿撰写、验证、方法学设计、实验研究、数据分析。