水杨酸在小麦赤霉病发生过程中的作用机制研究

小麦是重要的口粮作物。赤霉病严重威胁小麦的产量和品质，其主要致病菌是禾谷镰刀菌。

水杨酸（salicylic acid, SA）是小麦抵御禾谷镰刀菌侵染的重要内源激素之一。我们前期证明禾谷镰刀菌的侵染会导致小麦穗部大量积累SA（Qi et al., 2016），且SA可以通过改变禾谷镰刀菌细胞膜和细胞壁抑制其菌丝的生长和DON毒素的合成（Qi et al., 2012; Zhang et al., 2016, 2017）；而禾谷镰刀菌可以通过高效代谢和向外转运SA应对其胁迫（Qi et al., 2012; Qi et al., 2018, 2019）。

真菌细胞壁参与真菌与宿主的相互作用和免疫识别，影响致病性（如图1a）（Schoffelmeer et al., 1999; Karkowska-Kuleta and Kozik, 2015）。真菌细胞壁具有双层结构，几丁质和甘露糖蛋白分别是内侧和外侧细胞壁的主要成分（Karkowska-Kuleta and Kozik, 2015）。前期研究结果表明SA可通过抑制几丁质的合成破坏禾谷镰刀菌的细胞壁内侧结构（Zhang et al., 2016），尚不清楚细胞壁外侧在应对SA胁迫中的作用。

图1 真菌细胞壁结构模式图与甘露糖蛋白聚类分析

分析以SA作为碳源条件下禾谷镰刀菌的表达谱，发现一个可能的甘露糖蛋白基因（FG05_11315；FgCWM1）。FgCWM1的表达量在禾谷镰刀菌侵染小麦的过程中较高（Harris et al., 2016），且受SA诱导；聚类分析初步证明FgCWM1的蛋白序列与酵母的甘露糖蛋白关系密切（如图1b）。创制FgCWM1的敲除突变体（ΔFgCWM1）和回复突变体（C-FgCWM1），发现ΔFgCWM1在含有SA的培养基上的菌丝生长显著减缓（如图2a）；亚细胞定位表明FgCWM1蛋白位于细胞壁（如图2c）；电子显微镜观察发现FgCWM1功能缺失导致禾谷镰刀菌细胞壁外侧缺陷（如图2d）。

图2 FgCWM1对禾谷镰刀菌的生物学影响

比较野生型、敲除突变体和回复突变体细胞壁甘露糖和细胞壁蛋白含量，发现FgCWM1的缺失导致禾谷镰刀菌细胞壁甘露糖和蛋白含量显著降低；SA可显著增加细胞壁的甘露糖和蛋白含量，与SA上调FgCWM1基因表达一致（如图3）。这证明FgCWM1基因编码甘露糖蛋白，且禾谷镰刀菌可通过增加细胞壁外侧甘露糖蛋白的合成应对SA胁迫。

图3 禾谷镰刀菌细胞壁中甘露糖和蛋白含量测定

将野生型和突变体菌株接种小麦穗部，比较其致病性、DON毒素合成和SA积累。发现FgCWM1基因的缺失导致禾谷镰刀菌致病性减弱，但DON毒素的合成不受影响（如图4）；导致小麦穗部积累更多SA。这进一步说明FgCWM1基因和细胞壁外侧在禾谷镰刀菌应对SA胁迫中起关键作用。

图4 FgCWM1基因对禾谷镰刀菌致病性、DON毒素合成和小麦穗部SA积累的影响

该结果于2019年10月29日发表在毒素类一区杂志Toxins上（Fusarium graminearum FgCWM1 Encodes a Cell Wall Mannoprotein Conferring Sensitivity to Salicylic Acid and Virulence to Wheat）。

该研究得到国家自然科学基金（31901961和31671677）的资助。

文章链接：https://www.mdpi.com/2072-6651/11/11/628/htm

参考文献：

1.          Harris, L.J.; Balcerzak, M.; Johnston, A.; Schneiderman, D.; Ouellet, T. Host-preferential Fusarium graminearum gene expression during infection of wheat, barley, and maize. Fungal Biol. 2016, 120, 111-123. doi:10.1016/j.funbio.2015.10.010

2.          Schoffelmeer, E.A.; Klis, F.M.; Sietsma, J.H.; Cornelissen, B.J. The cell wall of Fusarium oxysporum. Fungal Genet. Biol. 1999, 27, 275-282. doi:10.1006/fgbi.1999.1153

3.          Karkowska-Kuleta, J.; Kozik, A. Cell wall proteome of pathogenic fungi. Acta. Biochim. Pol. 2015, 62, 339-351. doi:10.18388/abp.2015_1032

4.          Qi, P.F.; Johnston, A.; Balcerzak, M.; Rocheleau, H.; Harris, L.J.; Long, X.Y.; Wei, Y.M.; Zheng, Y.L.; Ouellet, T. Effect of salicylic acid on Fusarium graminearum, the major causal agent of fusarium head blight in wheat. Fungal Biol. 2012, 116, 413-426. doi:10.1016/j.funbio.2012.01.001

5.          Qi, P.F.; Zhang Y.Z.; Liu, C.H.; Zhu, J.; Chen, Q.; Guo, Z.R.; Wang, Y.; Xu, B.J.; Zheng, T.; Jiang, Y.F.; Wang, J.P.; et al. Fusarium graminearum ATP-Binding cassette transporter gene FgABCC9 is required for its transportation of salicylic acid, fungicide resistance, mycelial growth and pathogenicity towards wheat. Int. J. Mol. Sci. 2018, 19, 2351. doi:10.3390/ijms19082351

6.          Qi, P.F.; Zhang, Y.Z.; Liu, C.H.; Chen, Q.; Guo, Z.R.; Wang, Y.; Xu, B.J.; Jiang, Y.F.; Zheng, T.; Gong, X.; et al. Functional analysis of FgNahG clarifies the contribution of salicylic acid to wheat (Triticum aestivum) resistance against Fusarium Head Blight. Toxins 2019, 11, 59. doi:10.3390/toxins11020059

7.          Zhang, Y.Z., Chen, Q., Liu, C.H., Liu, Y.B., Yi, P., Niu, K.X., Wang, Y.Q., Wang, A.Q., Yu, H.Y., Pu, Z.E., Jiang, Q.T., Wei, Y.M., Qi, P.F., Zheng, Y.L. Chitin synthase gene FgCHS8 affects virulence and fungal cell wall sensitivity to environmental stress in Fusarium graminearum. Fungal Biol. 2016, 120, 764-774. doi: 10.1016/j.funbio.2016.02.002.

8.          Zhang, Y.Z., Wei, Z.Z., Liu, C.H., Chen, Q., Xu, B.J., Guo, Z.R., Cao, Y.L., Wang, Y., Han, Y.N., Chen, C., Feng, X., Qiao, Y.Y., Zong, L.J., Zheng, T., Deng, M., Jiang, Q.T., Li, W., Zheng, Y.L., Wei, Y.M., Qi, P.F. Linoleic acid isomerase gene FgLAI12 affects sensitivity to salicylic acid, mycelial growth and virulence of Fusarium graminearum. Sci. Rep. 2017, 7, 46129. doi: 10.1038/srep46129.