两个纹枯病菌毒力相关弹状病毒分子特性及其对菌核核围微生物群体的影响

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水稻纹枯病(Rice sheath blight)是世界最严重的水稻病害之一,其病原为死体营养型病原真菌茄丝核菌(Rhizoctonia solani)。茄丝核菌中的真菌病毒非常丰富,部分真菌病毒会引起寄主真菌表型的变化。对纹枯病菌中真菌病毒的研究,不仅为真菌病毒的分类与进化提供了更多的资源和线索,也对真菌病毒与寄主真菌互作及病原菌致病机制研究提供了新思路。本论文主要对湖北省襄阳地区分离的水稻纹枯病菌菌株XY175中两个全新的弹状病毒分子特性、及其对寄主真菌互作机制以及菌核核围微生物影响进行了研究。主要研究结果如下:明确了菌株XY175中真菌病毒组成及其分子特性,发现两个新型真菌弹状病毒。通过宏基因组测序分析,明确了水稻纹枯病菌XY175菌株被6种不同的真菌单链RNA(ss RNA)病毒复合侵染,包括2种线粒体病毒、2种内源RNA病毒和2种弹状病毒。内源RNA病毒Rhizoctonia solani endornavirus 1/XY175(Rs EV1/XY175)与已知的Rs EV1有97%一致性,是同一种病毒的不同株系,而Rs EV9与Ceratobasidium endornavirus F同源性最高,有36%一致性,是一个新的内源RNA病毒。线粒体病毒Rhizoctonia solani mitovirus 40(Rs MV40)和Rs MV41分别与Rs MV25和Alternaria alternate mitovirus 1有同源性,一致性分别为51%和53%,是水稻纹枯病菌中发现的两个新线粒体病毒。根据基因组结构和系统发育分析可知两种-ss RNA病毒为全新的真菌弹状病毒,分别命名为Rhizoctonia solani rhabdovirus 1(Rs Rh V1)和Rs Rh V2。Rs Rh V1和Rs Rh V2均包含5个推定开放阅读框(ORFⅠ-Ⅴ),分别编码5个大小和功能不同的蛋白,ORFⅡ和ORFⅢ编码未知功能能蛋白,其余3个ORFs分别编码病毒核衣壳蛋白(nucleocapsid protein,N)、糖蛋白(glycoprotein,G)和复制酶相关蛋白(ploymerase,L)。Rs Rh V1和Rs Rh V2分别还拥有6个和3个额外小ORF。Rs Rh V1和Rs Rh V2基因组中ORFⅠ和ORFⅡ之间的基因间隔区符合经典的弹状病毒保守的基因间隔区,而其他ORFs间的基因间隔区规律与已知非真菌弹状病毒不同,但与核盘菌弹状病毒Ss Rh V1特征相似。Rs Rh V1和Rs Rh V2的N蛋白、G蛋白和L蛋白与非真菌寄主的弹状病毒有同源性,一致性低于35%,而与核盘菌弹状病毒Ss Rh V1分别有37%、45%、57%的一致性。基于L蛋白系统发育分析,发现Rs Rh V1、Rs Rh V2与脊椎动物寄主的弹状病毒属Sripuvirus的成员有近缘关系,且Rs Rh V1和Rs Rh V2与Ss Rh V1单独聚为一个分支。基于Rs Rh V1和Rs Rh V2的N蛋白制备了抗体anti-N1和anti-N2,通过免疫电镜观察到提取获得弯曲杆状颗粒明显地被抗体anti-N1和anti-N2修饰,证明了Rs Rh V1和Rs Rh V2的病毒粒子不同于其他已知的弹状病毒,可能是弯曲杆状的病毒粒子。基于真菌弹状病毒分子特性,提议建立一个新的真菌弹状病毒属(Mycorhabdovirus),容纳包括水稻纹枯病菌中Rs Rh V1、Rs Rh V2以及核盘菌中Ss Rh V1在内的真菌弹状病毒。发现两个真菌弹状病毒与纹枯病菌致病力增强有相关性,并对其潜在的分子机制进行了初步解析。通过原生质体再生技术,获得不同病毒组合的再生菌株,结合水平传播试验,明确了Rs Rh V1和Rs Rh V2侵染可增强纹枯病菌的致病力。采用RNA-seq高通量转录组测序技术,系统比较了菌株XY175及3个不同病毒组合的原生质体再生菌株在侵染水稻叶片24h时的转录本差异。差异表达基因GO功能富集分析,发现Rs Rh V1和Rs Rh V2均影响寄主细胞氧化还原过程、芳香化合物代谢过程、氨基酸代谢过程等。Rs Rh V1单独侵染还影响寄主跨膜转运蛋白活性基因下调,Rs Rh V2单独侵染时则影响寄主多种跨膜转运蛋白活性基因上调和寄主纹枯病菌防御反应相关基因下调。Rs Rh V1和Rs Rh V2共存在时可导致水稻纹枯病菌CAZymes(碳水化合物活性酶)相关基因表达量上升,其中Rs Rh V2单独侵染时候,水稻纹枯病菌中GH13(AG1IA_03311)、PL4(AG1IA_01129)、果胶酯酶(AG1IA_02891和AG1IA_07743)和多聚半乳糖醛酸酶(AG1IA_04727和AG1IA_02200)的相关基因明显上调表达;而Rs Rh V1单独侵染时,寄主水稻纹枯病菌GH5(AG1IA_08772和AG1IA_02923)、果胶酯酶(AG1IA_02891和AG1IA_07743)和漆酶(AG1IA_04672、AG1IA_04673、AG1IA_06531、AG1IA_08834和AG1IA_08835)相关基因明显上调。Rs Rh V1和Rs Rh V2共同存在时,引起寄主水稻纹枯病菌细胞死亡相关的效应因子(AG1IA_05142和AG1IA_05500)表达量上升。推测Rs Rh V1和Rs Rh V2两个病毒可能通过调节细胞壁降解酶相关基因表达,来增强寄主真菌入侵植物的能力,并且引起寄主真菌相关效应因子相关基因上调,而触发植物细胞死亡增强寄主真菌寄生能力。分析了Rs Rh V1和Rs Rh V2单独和共同存在的情况下,水稻纹枯病菌菌核核围土壤微生物群体的变化。在Rs Rh V1和Rs Rh V2共同存在于纹枯病菌菌株时,其菌核核围微生物类群丰度降低。Rs Rh V1和Rs Rh V2单独或同时侵染水稻纹枯病菌后,菌核核围有益细菌,如链霉菌属(Streptomyces)、壤霉菌属(Agromyces)等和具有生防潜质的真菌,如木霉属(Trichoderma)、篮状菌属(Talaromyces),等类群的丰度降低。对805个菌核核围微生物进行互作网络的构建,分析水稻纹枯病菌菌核核围微生物互作网络,筛选出于水稻纹枯病菌正相关和负相关的微生物,根据互作网络分析推测与水稻纹枯病菌直接互作的微生物中,曲霉属(Aspergillus)、担子菌科的陶氏菌属(Tausonia)可能与水稻纹枯病菌产生相互促进的关系;而拟杆菌门鞘杆菌科的Solitalea属细菌可能与水稻纹枯病菌产生相互抑制的关系,拟杆菌门鞘杆菌科的Solitalea属细菌可能是水稻纹枯病菌潜在的生防因子。因此,Rs Rh V1和Rs Rh V2侵染可能会可能会诱导纹枯病菌菌核核围对寄主纹枯病有生防作用微生物含量的减少。本研究发现XY175菌株中由6个ss RNA病毒复合侵染,其中两个-ss RNA病毒为新侵染真菌的弹状病毒。明确了两个弹状病毒能引起寄主水稻纹枯病菌致病力增强,并且拥有不同于已知弹状病毒的弯曲的杆状的病毒粒子形态。通过RNA-seq分析初步从基因水平上解释Rs Rh V1和Rs Rh V2对寄主致病力影响的机制。探究了真菌病毒-纹枯病菌菌核-核围微生物三者之间产生影响的关系,尝试解释Rs Rh V1和Rs Rh V2病毒对寄主纹枯病菌菌核核围微生物变化影响以及真菌病毒在核围微生物中功能。研究结果为解析病毒进化、传播、侵染机制等基础研究提供更多的材料,为真菌病毒与寄主之间的相互作用提供了新的思路,同时也为真菌病毒影响真菌菌核核围微生物的方式促进真菌菌核生存提供新的研究方向。
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