桉树焦枯病菌全基因组测序及致病相关基因分析

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在热带和亚热带地区,丽赤壳属真菌(Calonectria spp.)引起的桉树焦枯病是桉树幼苗和人工幼林中的重要病害。该菌能够侵染桉树叶片和枝条等部位,导致叶片焦枯、枝枯、溃疡、落叶等症状,严重时会导致整株枯死,对桉树产业的发展造成极大的影响。然而迄今为止,人们对桉树焦枯病菌的遗传特征和致病机理知之甚少。本研究在前期研究基础上,对桉树焦枯病菌强致病菌株Ca.pseudoreteaudii YA51进行全基因组测序,并将其与其他植物病原菌进行比较基因组分析,同时以PDB培养基为对照,分别分析了焦枯病菌在桉树组织诱导培养基和侵染桉树叶片的差异表达情况,并探讨了其原生质体的制备条件和遗传转化体系,研究结果如下:1.桉树焦枯病菌基因组大小约为63.7Mb,略大于丛赤壳科其他近缘物种,包括新丛赤壳菌、茄腐镰刀菌、禾谷镰刀菌、尖孢镰刀菌、轮枝镰刀菌。焦枯病菌编码14355个基因,编码数量与近缘物种类似。DNA重复序列约占基因组的9.27%。与上述近缘的物种相比,桉树焦枯病菌编码一些特有基因,如MFS转运蛋白、ABC转运蛋白、糖转运蛋白、TPR、转录因子、激酶,它们主要参与营养物质吸收和有毒物质转运以及细胞代谢过程调控,这些基因对焦枯病菌适应特殊生境具有重要的作用。另外桉树焦枯病菌有958个基因家族发生扩张,1651个发生收缩。扩张的基因家族有参与信号转导的蛋白激酶,参与黑色素合成的酪氨酸酶,参与细胞表皮降解的角质酶和次级代谢物质降解的单宁酶、细胞色素P450、芳香族类氨基酸氨基转移酶等,参与活性氧清除的氧化还原酶,参与营养物质和有毒物质转运的ABC转运蛋白等。这些结果说明尽管桉树抗焦枯病品系通过加固结构障碍以及提高多酚类物质、黄酮类化合物等抗菌物质的合成能力来增强对焦枯病菌的抗性能力,焦枯病强致病菌Ca.psteaudii在进化水平上却更胜一筹。首先,焦枯病菌通过扩张角质酶基因和编码丰富多样的细胞壁降解酶基因增强了对桉树的侵染能力,其次形成一套复杂而有效的解毒系统用于处理桉树体内极其丰富的次生代谢物质含量,包括降解途径和非降解途径。这解释了焦枯病强致病菌对不同抗病品系均有较强的致病力。2.以PDB培养基为对照,对焦枯病菌在桉树组织(桉树抗病焦枯病品系尾细桉M1)诱导培养基以及侵染桉树抗病品系尾细桉M1叶片时的差异表达基因进行分析,结果发现在桉树组织诱导培养基上有1726个基因发生上调表达,2699个下调表达,说明桉树组织一定程度上对焦枯病菌的生长造成了胁迫。另外有169个基因在焦枯病菌侵染叶片不同时期发生差异表达,侵染早期上调表达基因数量多于下调基因,而侵染后期下调表达基因数量远多于上调基因,这说明随着侵入时间的延长,焦枯病菌面临着桉树体内的环境胁迫越来越大。进一步使用KEGG数据库对这些差异表达基因进行pathway富集分析,结果发现它们主要参与了 ABC转运、戊糖和葡萄糖转化、淀粉和蔗糖代谢、酪氨酸代谢、芳香族化合物的降解、脂肪酸降解等生物学过程,这再次说明了桉树焦枯病菌可通过降解的方式将寄主植物的抗菌物质有效清除,也可通过转运蛋白将这些有毒物质转运出体外或隔离起来,从而缓解这些物质对其生长带来的压力。另外在焦枯病菌侵染桉树叶片过程中分别有35、10、37个基因在侵染早期、中期和后期上调表达倍数最高,尤其是侵染早期上调倍数较高的基因对焦枯病菌的致病有着极其重要的作用,其中包括1个角质酶、3个富半胱氨酸小分泌蛋白、1个酚类化合物降解酶、1个萜烯类合成酶、1个黄曲霉素B合成酶等。3.原生质体制备条件优化结果表明,收集1 g(湿重)培养24 h的菌丝,以0.8 mol·L-1 NaCl为渗透压稳定剂,于10 mL含20 mg·mL-1崩溃酶和30 mg·mL-1裂解酶的混合酶液中,在30℃、100rpm条件下裂解4h,原生质体生成量可达3.72×107个·mL-1,在SR培养基上的再生率为32.33%。研究结果为今后致病相关基因的功能分析奠定基础。
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