2021年8月，Journal of Fungi背靠背在線發(fā)表了兩篇來自蘭州大學草地農業(yè)科技學院張興旭教授團隊關于內生真菌(Epichloe gansuensis)提高醉馬草(Achnatherum inebrians)抗逆生物學的研究成果，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，內生真菌對植物激素生物合成和響應途徑相關基因表達以及醉馬草水楊酸 (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，以含內生真菌Epichlo? gansuensis和不含內生真菌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?內生真菌相互作用增強植物抗病原菌感染的作用機制。
中 文 名: Epichlo?內生菌共生體通過植物水楊酸信號通路調控生物營養(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)，這些微生物會損害植物的健康。植物通過激素信號通路(包括水楊酸(SA)和茉莉酸(JA))控制復雜的免疫反應來保護自己免受這些病原體和其他植物消耗者的傷害。與此同時，植物與某些有益的共生微生物的聯(lián)系可以補充植物防御，甚至促進這些防御。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，從而增強植物抗病原菌作用的研究尚少。

 

研究目的

Epichlo? spp能夠誘導宿主植物產生SA 依賴性防御，作者猜想Epichlo? spp會增加植物對生物營養(yǎng)病原體的抗性水平。以含內生真菌Epichlo? gansuensis和不含內生真菌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?內生真菌相互作用增強植物抗病原菌感染的作用機制。

 

材料方法

含內生真菌Epichlo? gansuensis和不含內生真菌Epichlo? gansuensis的醉馬草，分別對Epichlo?內生共生植株和非共生植株接種病原體–布氏白粉菌。
生理實驗測定：茉莉酸和水楊酸激素濃度的測定，病害調查，植物生長測定。
轉錄組分析：對內共生植株和非共生植株葉片進行轉錄組測序。

 

研究結果

1. SA、JA含量測定

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

２．植物病害發(fā)病率及嚴重程度

與內生真菌誘導植物SA水平一致，Epichlo?內生真菌的存在提高了植物對病原菌的抗性。

植物接種病原菌后一周 發(fā)病率及嚴重程度

3.植物生長參數(shù)

內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. 轉錄組分析防御相關基因

本次共檢測到256個與防御相關的差異基因。與Epichlo?內生真菌促進植物SA水平一致，共生真菌的存在使SA生物合成相關基因表達上調，例如編碼ICS、SA結合蛋白2酶基因。此外，Epichlo?真菌使一些參與SA激素信號傳遞和響應基因的表達上調。病原菌增加了無內生真菌共生植株中SA信號傳導和響應基因的表達。在E+植物中，病原菌B. graminis也降低了PAL基因的表達量，而SA結合蛋白2基因的表達量則相反。

與植物內生真菌降低JA水平一致，在真菌共生體中，與JA激素產生相關的基因表達下調（如FAD7、PLA1和LOX1酶）。此外，內生真菌共生植株中，SCFCO11酶基因表達下調，SCFCO11酶是JAZ蛋白的負調控因子。這些蛋白抑制JA防御反應的表達。因此，內生真菌下調SCFCo11酶，可能使JAZ蛋白穩(wěn)定，從而抑制JA反應基因的表達。與此一致，Epichloi 真菌共生體中，JA 和 JA 反應標志物的假定蛋白的基因表達（即 MYC 和 LeARG1）下調。與Epichloi 內生菌共生體類似，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）的表達也出現(xiàn)下調。盡管 JA 生物合成基因的表達存在這種全局下調，接種病原體的無內生真菌的植物中，編碼JAZ 蛋白的基因表達下調，表明植物 JA 防御反應可能已經被激活。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）的表達下調。與E-植物相比，E+植株中下調基因的數(shù)量更多。

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

 

文章亮點

作者經研究發(fā)現(xiàn)，植物免疫系統(tǒng)與Epichlo?屬內生真菌之間的相互作用可以顯著促進內生菌共生植物對病原體的抗性。內生植物對病原菌的抗性增強可能是由于Epichlo?共生體促進了與SA信號通路相關的植物酶活性的潛在增加。研究過程中作者進行了常規(guī)生理指標檢測，結合轉錄組進行分析，思路簡單值得借鑒學習。

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

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)內生真菌(Epichlo? gansuensis)共生體研究, 是我國禾草內生真菌研究領域的重要方向。內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、胚芽長,植株分孽數(shù)、生物量、根冠比均顯著高于不帶菌(E-)醉馬草，增加旱后恢復能力和水分利用效率。可能的機理是適度干旱脅迫條件下內生真菌的侵染增加了E+醉馬草的葉片含水量、脯氨酸和過氧化物酶的含量，調節(jié)了氣孔的開閉及增強了其光合與養(yǎng)分的吸收能力。但基于轉錄組學的耐旱分子機理研究較少。

研究目的

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

材料方法

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

2.實時定量PCR (qRT-PCR) 分析：轉錄組測序相同樣本（武漢天一匯源生物）

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

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

研究結果

1. 與激素生物合成和反應相關的差異表達基因 (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_倍數(shù)變化大于等于2且FDR值小于0.05的unigenes定義為DEGs?；谶@些嚴格的標準，DEF 與 DEI 之間有 6 個（0 個上調和 6 個下調）DEG，NEF 與 NEI 之間有 26 個（6 個上調和 20 個下調）DEG，WEF 與 WEI 之間有 22 個（16 個上調和 6 個下調）DEG， NEF 與 DEF 之間的 2 個（2 個上調和 0 個下調）DEG，NEF 與 WEF 之間的 3 個（0 個上調和 3 個下調）DEG，NEI 與 DEI 之間的 9 個（9 個上調和 0 個下調）和 8 個（6 個上調和 2 個下調） NEI 與 WEI 之間的 DEG。在每次處理中，我們都檢測到獨特和重疊的 DEG 集。

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

激素生物合成和分解代謝相關基因的轉錄表達模式

2. DEG的KEGG 通路富集分析

對51個DEG 進行了KEGG 通路富集分析，“植物激素信號轉導（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51個DEG進行了 GO通路富集分析，注釋到了29個GO分類。在生物過程類別中，“代謝過程”是最主要的，其次是“細胞過程”和“單一生物過程”。細胞成分類別中，“細胞”和“細胞部分”是最主要的，其次是“細胞器”。在分子功能類別中，“結合”是最主要的。

KEGG 通路富集分析和GO富集分析結果展示

3. JA和SA含量分析

內生真菌的存在與否，醉馬草內生真菌相互作用對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 JA 含量沒有顯著影響。對于 EI 植物，三種土壤含水量處理的 JA 水平同樣低。對于 EF 植物，只有在 15% 的土壤水分含量時，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。

不同水分和內生菌處理下的JA和SA含量

4 .與JA和SA生物合成和反應途徑相關的DEGs

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

5.使用 qRT-PCR 驗證 RNA-Seq 數(shù)據(jù)

選擇了 13 個 DEG 進行 qRT-PCR 分析。線性回歸分析檢測到 qRT-PCR 和 RNA-seq 結果之間呈正相關，相關系數(shù)為0.8。因此，本研究中的 RNA-seq 結果準確可靠。

qRT-qPCR 驗證轉錄表達變化

文章亮點

作者研究表明，在醉馬草內生真菌共生體中，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 對耐旱性和更廣泛的宿主防御反應的作用，仍未完全確定。為了更好地了解內生真菌的存在如何對生長在中國西北部干旱、半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)中的醉馬草植物的持久性產生積極影響的研究提供了參考價值。