相位对比显微断层成像技术揭示了血管真菌病原体在根部定殖的机制

《Nature Communications》：Phase-contrast microtomography unveils mechanisms of root colonization by a vascular fungal pathogen

　　

摘要

土传维管病菌对农业构成严重威胁，其入侵策略极为复杂，但相较于叶部病原体，这些策略的研究仍相对不足。虽然像 Magnaporthe oryzae 这样的叶部病原体会利用特殊的附着结构（appressoria），通过机械力和酶解作用共同侵入植物表面，但那些不具备传统附着结构的维管病菌的入侵机制很大程度上仍停留在理论阶段。由于传统显微镜的技术限制，这些病菌在根部渗透和定殖过程中的纳米级机制难以被观察清楚。本研究利用相衬X射线计算机断层扫描和先进的显微镜技术发现，Fusarium oxysporum（以下简称 Fo）通过独特的丝裂原活性蛋白激酶（MAPK）级联反应，借助前所未有的形态可塑性来实现根部入侵。我们首次发现了有助于物理穿透的类似附着结构的结构，并证实 Fo 具有出色的细胞适应性——其菌丝直径可缩小超过20倍（从5微米降至220纳米），以适应受限的植物内部空间，这种显著的形态变化此前被认为不可实现。通过使用缺乏纤维素酶的突变体，我们证明了纤维素分解活性在突破植物表面和进行亚微米级菌丝定殖过程中并非必需，从而证实机械力的产生而非酶解作用才是决定病原体成功侵入的关键因素。三维重建结果显示，真菌增殖与逐渐形成的阻塞现象之间存在定量关联，不同的MAPK信号通路分别调控着渗透力的产生（Fmk1）、在非正常组织中的渗透适应（Hog1）以及向维管组织的定向生长（Mpk1）。这些发现为维管萎蔫病的发病机制提供了理论基础，并揭示了控制这些极具经济破坏性的植物疾病的潜在靶点。