禾谷镰刀菌产孢相关长链非编码RNA的鉴定及功能研究

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bainiao528
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禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)是小麦、大麦、玉米和其他谷类作物赤霉病的主要病原菌之一,有性生殖时期产生的子囊孢子是小麦赤霉病的主要初侵染源。小麦赤霉病在全世界小麦产区均有发生,不仅造成粮食减产,而且病麦粒中能够产生多种毒素危害人畜健康。长链非编码RNA(long noncoding RNA,lncRNA)在动植物和酵母的各种生命活动中发挥重要作用,但在丝状真菌中lncRNA的调控作用及其机制知之甚少。本研究采用链特异转录组测序的方法鉴定和分析了禾谷镰刀菌中产孢前后的lncRNAs,并对FgHOA-AS和lncR6731在禾谷镰刀菌不同生长发育阶段的功能进行了探索,主要研究结果如下:(1)天然反义转录本FgHOA-AS在编码高丝氨酸乙酰基转移酶基因(homoserine O-acetyltransferase,FgHOA)的负义链,反向转录至FgHOA的第二个内含子处。FgHOA-AS在产孢阶段表达量上升,FgHOA在有性生殖阶段表达量显著上调。RACE-PCR结果表明FgHOA-AS的长度为2555nt,FgHOA的长度为1961nt。突变体ΔFgHOA为甲硫氨酸营养缺陷型,菌落呈黄色,气生菌丝减少和分生孢子萌发率降低,外源添加甲硫氨酸可恢复其色素产生、营养生长和孢子萌发,但形成的分生孢子形态异常,子囊畸形且子囊孢子的释放降低。结果表明FgHOA调控甲硫氨酸的生物合成,同时也影响禾谷镰刀菌中分生孢子形态建成和有性生殖阶段过程。(2)在产孢阶段超表达FgHOA-AS可抑制FgHOA的转录,导致分生孢子长于野生型,而且萌发率显著降低,超表达菌株FgHOAOE在分生孢子的形态及萌发等方面与野生型菌株PH-1相比无显著差异。在有性生殖阶段,超表达FgHOA导致子囊壳数量及子囊孢子的释放量增加。同时,我们构建了在FgHOA-AS的5’端加上终止子的FgHOA-AS-T菌株,发现菌株FgHOA-AS-T中FgHOA表达明显升高,表型与超表达菌株FgHOAOE相似。(3)lncR6731是位于FGSG_05042上游邻近且转录方向相同的lncRNA,FGSG_05042基因编码534个氨基酸,具有糖转运蛋白亚家族的MFS(major facilitator superfamily)结构域,通过RACE-PCR获得了lncR6731和FGSG_05042的全长,明确lncR6731和FGSG_05042均具有两种转录方式。采用分割标记法分别获得了lncR6731和FGSG_05042的敲除突变体。在无性阶段,突变体ΔlncR6731和ΔFGSG_05042在菌丝生长、菌落形态、孢子形态和产孢量方面与野生型菌株PH-1均无显著差异。在有性阶段,lncR6731和FGSG_05042的表达量显著上调,突变体ΔlncR6731和ΔFGSG_05042能产生正常成熟的子囊壳和鞭须,但子囊孢子释放量显著减少。同时与PH-1相比,突变体ΔlncR6731和ΔFGSG_05042侵染小麦的能力略有降低,但在小麦胚芽鞘上的致病力显著降低。突变体ΔFGSG_05042和ΔlncR6731中的DON毒素含量显著升高,并伴随着大多数TRI家族合成相关基因表达水平的显著提高,说明FGSG_05042和lncR6731可以通过影响TRI基因表达量在禾谷镰刀菌DON的合成中起到负调控的作用。另外ΔFGSG_05042对KCl表现出抗性而对Na Cl敏感,表明FGSG_05042可能参与渗透压通路的调节。碳氮源利用实验表明,敲除FGSG_05042可以增强禾谷镰刀菌对纤维素、糖类物质和氮源的利用能力。突变体ΔFGSG_05042对多菌灵及部分DMIS的药剂敏感性增加,编码14-α-脱甲基酶(DMI类杀菌剂的作用靶标)FgCYP51A和FgCYP51C基因在ΔFGSG_05042中显著下调。以上结果表明FGSG_05042和lncR6731在禾谷镰刀菌的有性生殖,DON生物合成和致病过程中发挥重要作用。(4)为了深入研究lncR6731的功能,我们分别获得了lncR6731沉默和超表达菌株,在有性生殖阶段,lncR6731沉默后FGSG_05042的表达水平降低,子囊孢子的释放量减少。超表达lncR6731后,FGSG_05042的表达水平显著提高,子囊孢子的释放量增加,同时,超表达lncR6731后,FGSG_05042的表达水平也显著提高。另外,终止子序列插入的突变体lncR6731-T也使子囊孢子的释放量降低,进一步说明lncR6731可通过调控FGSG_05042的表达影响子囊孢子的释放。本研究首次鉴定出禾谷镰刀菌中lncRNA FgHOA-AS和lncR6731,并明确了FgHOA-AS和lncR6731在营养生长、无性繁殖和有性生殖等方面的生物学功能。研究结果有助于我们深入了解禾谷镰刀菌无性繁殖和有性生殖的机制,为赤霉病的防控提供理论支持,也拓宽和丰富了我们对lncRNA在病原菌中的功能和作用机制的认识。
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