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水杨酸在小麦赤霉病发生过程中的作用机制研究

时间: 2019-11-14 点击次数:



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SAQi 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。

 

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_11315FgCWM1)。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)。

Fig3

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。

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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。

Fig6

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20191029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(3190196131671677)的资助。

 

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

 

参考文献:

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