2021年8月，Journal of Fungi背靠背在線發(fā)表了兩篇來(lái)自蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院張興旭教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于內(nèi)生真菌(Epichloe gansuensis)提高醉馬草(Achnatherum inebrians)抗逆生物學(xué)的研究成果，分別為:

題為“Transcriptome Analysis Revealed Plant Hormone Biosynthesis and Response Pathway Modification by Epichlo? gansuensis in Achnatherum inebrians under Different Soil Moisture Availability”研究論文旨在探討不同水分條件下，內(nèi)生真菌對(duì)植物激素生物合成和響應(yīng)途徑相關(guān)基因表達(dá)以及醉馬草水楊酸 (SA) 和茉莉酸 (JA) 激素含量的影響。

題為“The Plant Salicylic Acid Signalling Pathway Regulates the Infection of a Biotrophic Pathogen in Grasses Associated with an Epichlo? Endophyte”研究論文，以含內(nèi)生真菌Epichlo? gansuensis和不含內(nèi)生真菌Epichlo? gansuensis的醉馬草為材料，接種布氏白粉菌病菌，揭示植物免疫系統(tǒng)與Epichlo?內(nèi)生真菌相互作用增強(qiáng)植物抗病原菌感染的作用機(jī)制。
中 文 名: Epichlo?內(nèi)生菌共生體通過(guò)植物水楊酸信號(hào)通路調(diào)控生物營(yíng)養(yǎng)病原體侵染

英文名: The Plant Salicylic Acid Signalling Pathway Regulates the Infection of a Biotrophic Pathogen in Grasses Associated with an Epichlo? Endophyte

雜 志：Journal of Fungi

影響因子：5.82

研究背景

自然環(huán)境中，植物受到大量致病微生物的挑戰(zhàn)，這些微生物會(huì)損害植物的健康。植物通過(guò)激素信號(hào)通路(包括水楊酸(SA)和茉莉酸(JA))控制復(fù)雜的免疫反應(yīng)來(lái)保護(hù)自己免受這些病原體和其他植物消耗者的傷害。與此同時(shí)，植物與某些有益的共生微生物的聯(lián)系可以補(bǔ)充植物防御，甚至促進(jìn)這些防御。但Epichlo?與宿主植物相互作用，增加植物防御激素水楊酸(SA)和茉莉酸(JA)的表達(dá)，從而增強(qiáng)植物抗病原菌作用的研究尚少。

 

研究目的

Epichlo? spp能夠誘導(dǎo)宿主植物產(chǎn)生SA 依賴性防御，作者猜想Epichlo? spp會(huì)增加植物對(duì)生物營(yíng)養(yǎng)病原體的抗性水平。以含內(nèi)生真菌Epichlo? gansuensis和不含內(nèi)生真菌Epichlo? gansuensis的醉馬草為材料，接種病原菌布氏白粉病菌，揭示植物免疫系統(tǒng)與Epichlo?內(nèi)生真菌相互作用增強(qiáng)植物抗病原菌感染的作用機(jī)制。

 

材料方法

含內(nèi)生真菌Epichlo? gansuensis和不含內(nèi)生真菌Epichlo? gansuensis的醉馬草，分別對(duì)Epichlo?內(nèi)生共生植株和非共生植株接種病原體–布氏白粉菌。
生理實(shí)驗(yàn)測(cè)定：茉莉酸和水楊酸激素濃度的測(cè)定，病害調(diào)查，植物生長(zhǎng)測(cè)定。
轉(zhuǎn)錄組分析：對(duì)內(nèi)共生植株和非共生植株葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。

 

研究結(jié)果

1. SA、JA含量測(cè)定

結(jié)果表明內(nèi)生真菌增加了植物SA濃度，與未接種病原菌的植株相比，內(nèi)生真菌增加了2倍的SA濃度(P+和P植物的內(nèi)生真菌分別使SA增加30%和14%)。與 SA 相反，內(nèi)生真菌降低了植株中JA濃度。接種病原菌的內(nèi)共真菌生植物與未接種的進(jìn)行比較，茉莉酸的濃度降低了2倍。內(nèi)生真菌導(dǎo)致JA 濃度的減少，對(duì)于 P+和 P-植物分別為 32% 和 18%；

２．植物病害發(fā)病率及嚴(yán)重程度

與內(nèi)生真菌誘導(dǎo)植物SA水平一致，Epichlo?內(nèi)生真菌的存在提高了植物對(duì)病原菌的抗性。

植物接種病原菌后一周 發(fā)病率及嚴(yán)重程度

3.植物生長(zhǎng)參數(shù)

內(nèi)生菌提高了植株葉重，植物葉片鮮重和干重平均分別增加了5%和10%。

4. 轉(zhuǎn)錄組分析防御相關(guān)基因

本次共檢測(cè)到256個(gè)與防御相關(guān)的差異基因。與Epichlo?內(nèi)生真菌促進(jìn)植物SA水平一致，共生真菌的存在使SA生物合成相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，例如編碼ICS、SA結(jié)合蛋白2酶基因。此外，Epichlo?真菌使一些參與SA激素信號(hào)傳遞和響應(yīng)基因的表達(dá)上調(diào)。病原菌增加了無(wú)內(nèi)生真菌共生植株中SA信號(hào)傳導(dǎo)和響應(yīng)基因的表達(dá)。在E+植物中，病原菌B. graminis也降低了PAL基因的表達(dá)量，而SA結(jié)合蛋白2基因的表達(dá)量則相反。

與植物內(nèi)生真菌降低JA水平一致，在真菌共生體中，與JA激素產(chǎn)生相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào)（如FAD7、PLA1和LOX1酶）。此外，內(nèi)生真菌共生植株中，SCFCO11酶基因表達(dá)下調(diào)，SCFCO11酶是JAZ蛋白的負(fù)調(diào)控因子。這些蛋白抑制JA防御反應(yīng)的表達(dá)。因此，內(nèi)生真菌下調(diào)SCFCo11酶，可能使JAZ蛋白穩(wěn)定，從而抑制JA反應(yīng)基因的表達(dá)。與此一致，Epichloi 真菌共生體中，JA 和 JA 反應(yīng)標(biāo)志物的假定蛋白的基因表達(dá)（即 MYC 和 LeARG1）下調(diào)。與Epichloi 內(nèi)生菌共生體類似，在 E-植物中，接種白粉病病原體植株中，幾種 JA 生物合成基因（例如 PLA1、LOX4 和 AOS）的表達(dá)也出現(xiàn)下調(diào)。盡管 JA 生物合成基因的表達(dá)存在這種全局下調(diào)，接種病原體的無(wú)內(nèi)生真菌的植物中，編碼JAZ 蛋白的基因表達(dá)下調(diào)，表明植物 JA 防御反應(yīng)可能已經(jīng)被激活。在 E+ 植物中，接種病原菌使幾種JA生物合成基因（即FAD7、PLD-&1、LOX1、LOX4、AOS和ACX-4）的表達(dá)下調(diào)。與E-植物相比，E+植株中下調(diào)基因的數(shù)量更多。

與此一致，內(nèi)生真菌共生植株中，編碼JA響應(yīng)標(biāo)志物的基因表達(dá)下調(diào)。在未接種內(nèi)生真菌的植株中，病原菌降低了JA合成相關(guān)基因的表達(dá)。然而，盡管JA生物合成基因的表達(dá)整體下調(diào)，但病原體降低了無(wú)內(nèi)生真菌植物中編碼JAZ蛋白基因的表達(dá)，表明植物JA防御反應(yīng)可能已經(jīng)被激活。一些與JA轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)相關(guān)的植物基因的表達(dá)在接種病原體植物中上調(diào)。在內(nèi)生真菌共生植株中，病原菌處理使幾種JA生物合成基因下調(diào)（即FAD7、PLD-&1、LOX1、LOX4、AOS和ACX-4）。與E-植物相比，E+中下調(diào)的基因數(shù)量更多。此外，內(nèi)生真菌共生植物中JAZ蛋白的全局下調(diào)，表明JA防御反應(yīng)的激活。與此一致，病原體增加了內(nèi)生真菌共生植物中 PPOB 基因的表達(dá)。

 

文章亮點(diǎn)

作者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，植物免疫系統(tǒng)與Epichlo?屬內(nèi)生真菌之間的相互作用可以顯著促進(jìn)內(nèi)生菌共生植物對(duì)病原體的抗性。內(nèi)生植物對(duì)病原菌的抗性增強(qiáng)可能是由于Epichlo?共生體促進(jìn)了與SA信號(hào)通路相關(guān)的植物酶活性的潛在增加。研究過(guò)程中作者進(jìn)行了常規(guī)生理指標(biāo)檢測(cè)，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行分析，思路簡(jiǎn)單值得借鑒學(xué)習(xí)。

中文名: 轉(zhuǎn)錄組分析揭示在不同土壤濕度條件下醉馬草內(nèi)生真菌植物激素生物合成和響應(yīng)途徑的改變

英文名: Transcriptome Analysis Revealed Plant Hormone Biosynthesis and Response Pathway Modification by Epichlo? gansuensis in Achnatherum inebrians under Different Soil Moisture
Availability

雜志：Journal of Fungi

影響因子：5.82

研究背景

醉馬草(Achnatherum inebrians)內(nèi)生真菌(Epichlo? gansuensis)共生體研究, 是我國(guó)禾草內(nèi)生真菌研究領(lǐng)域的重要方向。內(nèi)生真菌可提高干旱脅迫條件下醉馬草種子萌發(fā)率和植株耐旱性。無(wú)論是溫室或田間干旱脅迫條件下,帶菌(E+)醉馬草種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng),植株分孽數(shù)、生物量、根冠比均顯著高于不帶菌(E-)醉馬草，增加旱后恢復(fù)能力和水分利用效率。可能的機(jī)理是適度干旱脅迫條件下內(nèi)生真菌的侵染增加了E+醉馬草的葉片含水量、脯氨酸和過(guò)氧化物酶的含量，調(diào)節(jié)了氣孔的開(kāi)閉及增強(qiáng)了其光合與養(yǎng)分的吸收能力。但基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)的耐旱分子機(jī)理研究較少。

研究目的

本研究旨在探討不同水分條件下，內(nèi)生真菌對(duì)植物激素生物合成和響應(yīng)途徑相關(guān)基因表達(dá)以及醉馬草水楊酸 (SA) 和茉莉酸 (JA) 激素含量的影響。

材料方法

1.轉(zhuǎn)錄組分析：
材料：2013年采集于蘭州大學(xué)榆中校區(qū)牧區(qū)農(nóng)業(yè)科技學(xué)院試驗(yàn)田（東經(jīng)104°39′，北緯35°89′，海拔1653 m）的EI和EF 醉馬草植物種子。
平臺(tái)：Illumina HiSeq 2500（北京百邁客生物）

2.實(shí)時(shí)定量PCR (qRT-PCR) 分析：轉(zhuǎn)錄組測(cè)序相同樣本（武漢天一匯源生物）

3.水楊酸 (SA) 和茉莉酸 (JA) 激素含量測(cè)定：酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA）測(cè)定 （上海凡科）

4.統(tǒng)計(jì)分析：SPSS 22.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）

研究結(jié)果

1. 與激素生物合成和反應(yīng)相關(guān)的差異表達(dá)基因 (DEG) 分析

與30%土壤含水率處理相比，EF處理的土壤為處理組?；虮磉_(dá)倍數(shù)變化大于等于2且FDR值小于0.05的unigenes定義為DEGs?；谶@些嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，DEF 與 DEI 之間有 6 個(gè)（0 個(gè)上調(diào)和 6 個(gè)下調(diào)）DEG，NEF 與 NEI 之間有 26 個(gè)（6 個(gè)上調(diào)和 20 個(gè)下調(diào)）DEG，WEF 與 WEI 之間有 22 個(gè)（16 個(gè)上調(diào)和 6 個(gè)下調(diào)）DEG， NEF 與 DEF 之間的 2 個(gè)（2 個(gè)上調(diào)和 0 個(gè)下調(diào)）DEG，NEF 與 WEF 之間的 3 個(gè)（0 個(gè)上調(diào)和 3 個(gè)下調(diào)）DEG，NEI 與 DEI 之間的 9 個(gè)（9 個(gè)上調(diào)和 0 個(gè)下調(diào)）和 8 個(gè)（6 個(gè)上調(diào)和 2 個(gè)下調(diào)） NEI 與 WEI 之間的 DEG。在每次處理中，我們都檢測(cè)到獨(dú)特和重疊的 DEG 集。

根據(jù)不同處理下的分析，我們共發(fā)現(xiàn)了 51 個(gè)與激素生物合成和反應(yīng)途徑相關(guān)的 DEG。包括12個(gè)IAA相關(guān)基因、8個(gè)CTK相關(guān)基因、3個(gè)GA相關(guān)基因、7個(gè)ABA相關(guān)基因、7個(gè)ET相關(guān)基因、12個(gè)JA相關(guān)基因和4個(gè)SA相關(guān)基因。

激素生物合成和分解代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式

2. DEG的KEGG 通路富集分析

對(duì)51個(gè)DEG 進(jìn)行了KEGG 通路富集分析，“植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（ko04075）”、“α-亞麻酸代謝（ko00592）”、“半胱氨酸和蛋氨酸代謝（ko00270）”和“亞油酸代謝（ko00591）”類別顯著豐富。對(duì)51個(gè)DEG進(jìn)行了 GO通路富集分析，注釋到了29個(gè)GO分類。在生物過(guò)程類別中，“代謝過(guò)程”是最主要的，其次是“細(xì)胞過(guò)程”和“單一生物過(guò)程”。細(xì)胞成分類別中，“細(xì)胞”和“細(xì)胞部分”是最主要的，其次是“細(xì)胞器”。在分子功能類別中，“結(jié)合”是最主要的。

KEGG 通路富集分析和GO富集分析結(jié)果展示

3. JA和SA含量分析

內(nèi)生真菌的存在與否，醉馬草內(nèi)生真菌相互作用對(duì)JA和SA均有含量有顯著影響。在60% 土壤水分含量下，醉馬草JA 含量EF顯著高于 EI。在 EI 或 EF 植物中，土壤水分含量對(duì) JA 含量沒(méi)有顯著影響。對(duì)于 EI 植物，三種土壤含水量處理的 JA 水平同樣低。對(duì)于 EF 植物，只有在 15% 的土壤水分含量時(shí)，JA 水平與 EI 植物一樣低。在 30% 和 60% 的土壤水分含量下，醉馬草EF的SA含量顯著高于EI。醉馬草EI在30%和60% 土壤水分含量下的 SA 含量顯著高于15%土壤水分含量。

不同水分和內(nèi)生菌處理下的JA和SA含量

4 .與JA和SA生物合成和反應(yīng)途徑相關(guān)的DEGs

分析不同處理下，與JA和SA生物合成和反應(yīng)途徑相關(guān)的DEGs。發(fā)現(xiàn)了12個(gè)參與α-亞麻酸代謝和JA介導(dǎo)的信號(hào)通路的基因和4個(gè)參與苯丙氨酸和SA介導(dǎo)的信號(hào)通路的基因。JA和SA生物合成和反應(yīng)途徑的關(guān)鍵基因，如LOX2S、AOS、OPR、ACX、JMT、JAZ、PAL、NPR1、TGA和PR-1，表現(xiàn)出不同程度的上調(diào)或下調(diào)。

5.使用 qRT-PCR 驗(yàn)證 RNA-Seq 數(shù)據(jù)

選擇了 13 個(gè) DEG 進(jìn)行 qRT-PCR 分析。線性回歸分析檢測(cè)到 qRT-PCR 和 RNA-seq 結(jié)果之間呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.8。因此，本研究中的 RNA-seq 結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

qRT-qPCR 驗(yàn)證轉(zhuǎn)錄表達(dá)變化

文章亮點(diǎn)

作者研究表明，在醉馬草內(nèi)生真菌共生體中，JA和SA的含量以及植物激素合成的激活受到內(nèi)生真菌的存在和土壤水分含量的影響。然而，這些途徑激活的影響，特別是 JA 和 SA 對(duì)耐旱性和更廣泛的宿主防御反應(yīng)的作用，仍未完全確定。為了更好地了解內(nèi)生真菌的存在如何對(duì)生長(zhǎng)在中國(guó)西北部干旱、半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)中的醉馬草植物的持久性產(chǎn)生積極影響的研究提供了參考價(jià)值。