加载中…基因组和转录组分析香蕉枯萎病致病菌尖孢镰刀菌
(2016-11-15 10:58:12) 杂志：PloS one
影响因子：3.234
研究背景：
尖孢镰刀菌（Foc）是一类普遍栖息土壤和植物的致病菌，会造成很多农业植物维管枯萎病和根病，分类超过120种。尖镰孢古巴专化型是重要的香蕉致病菌，严重限制香蕉产量。该菌可以分为四种生理批次，race1，2，3，4。Race
1会感染栽培品种‘Gros Michel’，‘Pome’，‘Silk’ 和‘Pisang Awak’，Race
2感染‘Bluggoe’，Race 3不感染香蕉，Race 4感染基本上所有的香蕉品种，包括‘Dwarf
Cavendish’及1和2感染的品种。
Foc是一种腐生菌，包括三个生命周期。很少有办法能彻底根除它，大多数杀菌剂是无效的，有效的控制方法比较紧迫，这就要求我们能够更深入地认识它，包括基因组。之前测序过的番茄和小麦的Foc致病菌基因组，比较发现他们具有宿主特异性。本文研究：（1）测序和分析Foc
N2（Race 1，Foc 1）和B2（Race 4，Foc 4）的基因组；（2）开发其可能的致病基因；（3）Foc 1和Foc
4在生长期和感染香蕉48 h后转录组分析。
研究目的：
结合基因组和转录组测序分析，鉴定尖孢镰刀菌致枯萎病机理以及Foc 1和Foc 4的在致病上不同的分子机制。
材料方法：
1、实验材料：
分离的两株尖孢镰刀菌N2和B2。首先进行基因组测序，随后进行感染前后转录组测序分析。
2、测序方法及数据量：
Genome Sequencing：Illumina GA Analyzer，
插入片段文库500、2000、5000、10000bp（Foc 4），插入文库500、10000bp（Foc 1）。
RNA Seq：Illunima Hiseq 2000 platform。
AMGP00000000，AMGQ00000000
SRA058029，SRA058030，GSE40581
技术路线：
实验结果：
基因组测序和基本特征
Foc 1和Foc 4都至少106乘的测序覆盖度，见表1。拼接后，Foc 1大小47.84Mb，Foc
4大小53.12Mb，他们预测分别有17462和18065个编码基因，编码能力与其它子囊菌相似，如Foc II5（16634）和Fol
4287（20925）。而Foc 1和Foc 4拼接后相差的5Mb可能是因为Foc
4插入片段文库建得多，导致测序覆盖高拼接较好。
对于Foc 1和Foc
4，大约53.5%的基因组区域为编码区，每个基因有2.82个外显子，外显子平均长度为480bp。BBH分析显示Foc 1和Foc
4有96.7%的氨基酸同源度，分别有90.0%和90.2%的编码基因注释上，包括GO、KEGG、SwissProt和TrEMBL。
2.Foc和Fol的基因结构差别
Fol基因组中四条染色体（Chr03、06、14、15）包含家系特异性（LS）基因区域，包含丰富的转座子和致病相关基因。通过BWA分析，比对到Fol上，发现Foc
1和Foc 4大多数的染色体可以匹配到Fol中，但除Chr03、06、14、15外（图2），说明Foc中不含有LS区域。
3.毒性相关基因
为了寻找潜在的毒性相关基因，进行了与致病性－宿主（PHI）基因数据库的全基因比对，分别鉴定出347和348个潜在致病性基因（VAG），其中有16个是已经报道来源于Foc的VAG，表明Foc中VAG的保守性。
4.粘附宿主相关基因
真菌粘附到目标组织对致病性起重要作用，以前研究表明敲除掉粘附基因的致病菌效果大大降低。本研究中，在Foc
1和Foc4中分别鉴定到5和6个粘附基因。所有这些假定粘附基因在生长和感染阶段都发生转录，而且，Foc
4中3个粘附基因在感染48h后发生明显差异（3倍），而Foc 1中只有一个；表明粘附基因可能在真菌感染过程中发挥作用。
5.分泌蛋白
两个Foc菌编码大约1300个潜在分泌蛋白，占比7.4%。这两个菌分泌的碳水解酶（CAZy）与一些鉴定的毒性因子高度相似，如bcpg1、CPPG2、BcPG2和PELD等。这些表明Foc
1和Foc
4拥有多种多样的CAZy来感染香蕉。另外还有很多潜在的SPs与报道过有高度同源度，他们能引起过敏反应及引诱坏死，显示出SPs参与Foc－香蕉互作。
6.解毒和运输相关基因
植物产生多样的次级代谢产物，它们有一些具有抗真菌活性，这些抗真菌分析可能会起到对抗腐生真菌的屏障作用。同样的，真菌也会产生酶来去除毒性。色素P450（CYP）在解毒和真菌次级代谢物合成起关键作用，两株Foc基因组可以编码很多潜在CYP基因（Foc
1中173个，Foc4中176个），有些与已经报道的有相似性。除了解毒酶，一些peroxidases也可能解毒相关，Foc
1中编码25个，Foc 4中编码28个。
不同的转运蛋白对营养物的吸收和次级代谢物和其它毒性物质排放有重要作用，Foc中编码了大量的转运蛋白（Foc
1中1001个，Foc 4中1040个；表3）
7.次级代谢物生物合成相关基因集
真菌会产生很多的次级代谢产物，近年来SMs包括白僵菌毒素，赤霉素（GAs）和其它次级代谢物在真菌－宿主互作中起到核心作用。我们在Foc
1和Foc 4中分别鉴定到26和30个基因集与次级代谢物合成相关。一些SMs主基因与VCG具有同源性。
8.信号传导
重要研究表明G蛋白控制真菌的生长、形成及致病性，如GPCR、GprD、FGA1、FGA2、FGB1等。我们发现在Foc中大约115个基因编码G蛋白。双组分信号通路雨环境压力、菌丝形成、真菌毒性敏感性相关。两个保守组分是必须的：组氨酸激酶（HK）和反应调节器（RR）。Foc
1和Foc 4都有20 个假定的HKs，编码3个RRs。
9.比较转录分析
香蕉对Foc 1有抗性，但对Foc 4比较敏感，其致病机制尚未明确。本文对Foc 1和Foc
4感染前和感染后进行RNA-seq，研究根部吸附、宿主识别等。表达的基因中，在Foc
1中有2101个显著上调，4153个显著下调，而在Foc
1中，2410个上调，5642个下调（图4）。随后qPCR进行随机验证。
GO分析结果发现，Foc
1中上调基因主要富集到“蛋白结合”和“核染质结合”，下调的主要富集到23个类别中，依次是细胞过程、细胞分离、初级代谢产物过程、细胞代谢过程、胞内的和高分子代谢过程（图5）。相反的，Foc
4中上调基因富集到18个功能类别，包括9个生物学过程、4个细胞组分、5个分子功能（图6）。
创新点：
鉴定出Foc 1和Foc 4
基因组和转录组调控区别，基因组的信息将会加速研究尖孢镰刀菌的致病机理，改进香蕉抗病性。
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