玉米对Fusarium verticillioides和Fusarium graminearum共感染的生理和分子反应

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Physiological and molecular responses of maize to co-infection by Fusarium verticillioides and Fusarium graminearum

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摘要

Fusarium verticillioides 和 Fusarium graminearum 是导致玉米穗腐病的主要病原菌，它们通常以混合感染的形式出现，从而增加了疾病的严重程度和谷物的品质下降。本研究通过结合形态分子特征分析、胞外水解酶谱分析、防御相关基因表达、淀粉降解、扫描电子显微镜（SEM）以及种子质量评估，探讨了玉米对这些病原菌单独感染和共同感染的响应。通过对 ITS、tef1-α 和 RPB2 基因的多基因座系统发育分析，确认 PMER18 和 PMER56 分离株分别为 F. verticillioides 和 F. graminearum，其与参考菌株的序列同源性达到 99%-100%。人工接种实验表明，混合感染会导致最严重的穗腐病症状，并显著增强了果胶酶、果胶裂解酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和几丁质酶的活性，这表明在籽粒被侵染过程中细胞壁多糖和淀粉储备被协同降解。相应地，qPCR 分析显示抗氧化基因（SOD, CAT）、防御基因（LOX, PPO, PR）以及蔗糖转运基因（SUT1, SUT2）的表达了显著增加，其中 PR、SUT1 和 SUT2 的表达量分别增加了 27.4 倍、26.2 倍和 18.4 倍，而淀粉生物合成基因 SH2 和 Bt2 的表达量则明显下调。混合感染导致籽粒中淀粉含量从 70.01% 减少到 30.69%（减少了 56.16%），SEM 结果也显示了淀粉颗粒的严重侵蚀、凹陷、破碎和塌陷。种子质量明显受损，发芽率从 98% 降至 68%，幼苗活力指数从 2841.02 降至 1010.48。这些发现表明同时感染会加剧病原体的毒力、宿主的代谢重塑、碳水化合物的消耗以及谷物的品质下降，为玉米与 Fusarium 之间的相互作用提供了新的见解，并确定了抗性育种和综合病害管理的潜在靶点。

引言

玉米（Zea mays L.）是世界上最重要的谷物作物之一，广泛用于食品、饲料和工业用途。然而，其产量和谷物品质受到 Fusarium 窗腐病（FER）的严重影响，这种病害会导致产量损失和霉菌毒素污染，对食品安全和饲料安全构成威胁 [1]。在与玉米相关的 Fusarium 种中，F. verticillioides 和 F. graminearum 因产生霉菌毒素而尤为重要；F. verticillioides 主要产生伏马菌素，而 F. graminearum 产生三萜烯和玉米赤霉烯酮 [2], [3]。这些病原体的日益普遍传播加剧了全球食品安全和可持续玉米生产的挑战 [4]。

最近的研究表明，F. verticillioides 和 F. graminearum 的分布范围有越来越多的重叠，导致它们在玉米种植区频繁共同出现 [5]。F. verticillioides 和 F. graminearum 的共同感染尤其令人担忧，因为它们之间的相互作用会改变病原体的定殖、竞争力、疾病发展以及霉菌毒素的积累情况，与单一感染相比有所不同。尽管先前已经证明了它们在玉米穗上的相互作用 [6]，但最近的实验研究表明，这种相互作用的结果可能因病原体的定殖情况、宿主基因型和感染条件而异 [7]。因此，印度玉米中这两种病原体竞争性相互作用的机制及其对病原体发展和宿主响应的影响仍需进一步研究。

成功的 Fusarium 感染需要胞外水解酶来促进病原体侵入和养分吸收 [8]，同时病原体的定殖会改变宿主的碳水化合物代谢和谷物营养价值 [9]。最近的比较基因组分析进一步发现了与致病性相关的基因和碳水化合物活性酶在玉米相关 Fusarium 分离株中的差异，暗示了它们在定殖和毒力方面的潜在差异 [10]。作为对感染的响应，玉米会激活一系列生化 and 分子防御机制，包括抗氧化酶、茉莉酸介导的信号传导和与致病性相关的蛋白质 [11]。然而，当 F. verticillioides 和 F. graminearum 同时感染时，宿主的防御和代谢反应仍受到较少关注。

定量分子方法为评估病原体定殖和宿主-病原体相互作用提供了有价值的工具。因此，本研究重点探讨了 F. verticillioides 和 F. graminearum 在玉米穗腐病发展过程中的相互作用，特别是病原体的定殖、宿主代谢反应和防御机制。

章节片段

病原体分离和形态分子特征分析

2025 年，我们在印度卡纳塔克邦收集了表现出典型 Fusarium 窗腐病症状的玉米穗。受感染的籽粒用 2% 的次氯酸钠进行表面消毒后，接种在马铃薯葡萄糖琼脂（PDA；HiMedia）上，并在 27±1°C 下培养 3-5 天 [12]。利用单孢子分离技术纯化了出现的真菌菌落 [13]。纯培养物保存在 PDA 斜面上，并在 4°C 下保存以供进一步研究 [14]。选定的分离株在 27±1°C 的 PDA 上进行培养

病原体分离和形态分子特征分析

从两个不同地点收集的玉米穗腐病样本表现出 Fusarium 窗腐病的特征性症状，包括籽粒上出现白色至粉紫色的棉絮状真菌生长，通常伴有独特的星状扩散图案。感染通常从穗尖开始，逐渐向穗基部扩展，严重感染会导致籽粒间广泛的真菌定殖、籽粒皱缩、重量减轻以及典型的霉变生长。

讨论

本研究通过评估选定的防御相关基因的表达和与真菌致病性相关的胞外酶活性，探讨了玉米对 F. verticillioides 和 F. graminearum> 单独感染和共同感染的响应。在田间条件下，Fusarium 物种的混合感染很常见，这些感染会影响疾病进展、宿主防御反应和病原体的侵袭性（Lanubile 等，

结论

总体而言，本研究通过揭示混合感染导致病原体毒力、胞外酶分泌以及宿主防御和代谢反应的协调变化，从而加速了谷物品质的下降和种子质量的降低，加深了我们对玉米与 Fusarium 之间相互作用的理解。酶谱分析、防御基因表达和超微结构分析的结合为阐明这些机制提供了全面的框架。

CRediT 作者贡献声明

Harish J: 形式分析。Mahesh H B: 形式分析。Swathi S Patil: 形式分析。M K PrasannaKumar: 撰写 - 审稿与编辑、监督、资源提供、概念构思。Deepaka D: 形式分析。Surabhi Hatture: 形式分析。Karan R: 形式分析。Pallavi K N: 撰写 - 初稿撰写、实验研究、形式分析。

[29], [31]。

数据可应要求提供。

由于本研究不涉及人类参与者、动物或敏感数据，因此无需伦理审批。

作者声明不存在利益冲突。

作者们没有为此研究获得任何外部资助。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

DST, 卡纳塔克邦政府 提供的奖学金（DST/KSTePS/Ph.D Fellowship/LIF-06:2024-25）。

K.N. Pallavi|M.K. PrasannaKumar|Deepaka|Surabhi Hatture|R. Karan|J. Harish|H.B. Mahesh|Swathi S. Patil班加罗尔 GKVK 农业科学大学植物病理学系 PathoGenomics 实验室，卡纳塔克邦 560065

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