Journal of Fungi背靠背发表两篇内生真菌提高醉马草抗逆生物学的研究成果

2021年8月，Journal of Fungi背靠背在线发表了两篇来自兰州大学草地农业科技学院张兴旭教授团队关于内生真菌(Epichloe gansuensis)提高醉马草(Achnatherum inebrians)抗逆生物学的研究成果，分别为:

题为“Transcriptome Analysis Revealed Plant Hormone Biosynthesis and Response Pathway Modification by Epichloë gansuensis in Achnatherum inebrians under Different Soil Moisture Availability”研究论文旨在探讨不同水分条件下，内生真菌对植物激素生物合成和响应途径相关基因表达以及醉马草水杨酸 (SA) 和茉莉酸 (JA) 激素含量的影响。

题为“The Plant Salicylic Acid Signalling Pathway Regulates the Infection of a Biotrophic Pathogen in Grasses Associated with an Epichloë Endophyte”研究论文，以含内生真菌Epichloë gansuensis和不含内生真菌Epichloë gansuensis的醉马草为材料，接种布氏白粉菌病菌，揭示植物免疫系统与Epichloë内生真菌相互作用增强植物抗病原菌感染的作用机制。
中 文 名: Epichloë内生菌共生体通过植物水杨酸信号通路调控生物营养病原体侵染

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

杂 志：Journal of Fungi

影响因子：5.82

研究背景

自然环境中，植物受到大量致病微生物的挑战，这些微生物会损害植物的健康。植物通过激素信号通路(包括水杨酸(SA)和茉莉酸(JA))控制复杂的免疫反应来保护自己免受这些病原体和其他植物消耗者的伤害。与此同时，植物与某些有益的共生微生物的联系可以补充植物防御，甚至促进这些防御。但Epichloë与宿主植物相互作用，增加植物防御激素水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)的表达，从而增强植物抗病原菌作用的研究尚少。

 

研究目的

Epichloë spp能够诱导宿主植物产生SA 依赖性防御，作者猜想Epichloë spp会增加植物对生物营养病原体的抗性水平。以含内生真菌Epichloë gansuensis和不含内生真菌Epichloë gansuensis的醉马草为材料，接种病原菌布氏白粉病菌，揭示植物免疫系统与Epichloë内生真菌相互作用增强植物抗病原菌感染的作用机制。

 

材料方法

含内生真菌Epichloë gansuensis和不含内生真菌Epichloë gansuensis的醉马草，分别对Epichloë内生共生植株和非共生植株接种病原体–布氏白粉菌。
生理实验测定：茉莉酸和水杨酸激素浓度的测定，病害调查，植物生长测定。
转录组分析：对内共生植株和非共生植株叶片进行转录组测序。

 

研究结果

1. SA、JA含量测定

结果表明内生真菌增加了植物SA浓度，与未接种病原菌的植株相比，内生真菌增加了2倍的SA浓度(P+和P植物的内生真菌分别使SA增加30%和14%)。与 SA 相反，内生真菌降低了植株中JA浓度。接种病原菌的内共真菌生植物与未接种的进行比较，茉莉酸的浓度降低了2倍。内生真菌导致JA 浓度的减少，对于 P+和 P-植物分别为 32% 和 18%；

２．植物病害发病率及严重程度

与内生真菌诱导植物SA水平一致，Epichloë内生真菌的存在提高了植物对病原菌的抗性。

植物接种病原菌后一周 发病率及严重程度

3.植物生长参数

内生菌提高了植株叶重，植物叶片鲜重和干重平均分别增加了5%和10%。

4. 转录组分析防御相关基因

本次共检测到256个与防御相关的差异基因。与Epichloë内生真菌促进植物SA水平一致，共生真菌的存在使SA生物合成相关基因表达上调，例如编码ICS、SA结合蛋白2酶基因。此外，Epichloë真菌使一些参与SA激素信号传递和响应基因的表达上调。病原菌增加了无内生真菌共生植株中SA信号传导和响应基因的表达。在E+植物中，病原菌B. graminis也降低了PAL基因的表达量，而SA结合蛋白2基因的表达量则相反。

与植物内生真菌降低JA水平一致，在真菌共生体中，与JA激素产生相关的基因表达下调（如FAD7、PLA1和LOX1酶）。此外，内生真菌共生植株中，SCFCO11酶基因表达下调，SCFCO11酶是JAZ蛋白的负调控因子。这些蛋白抑制JA防御反应的表达。因此，内生真菌下调SCFCo11酶，可能使JAZ蛋白稳定，从而抑制JA反应基因的表达。与此一致，Epichloi 真菌共生体中，JA 和 JA 反应标志物的假定蛋白的基因表达（即 MYC 和 LeARG1）下调。与Epichloi 内生菌共生体类似，在 E-植物中，接种白粉病病原体植株中，几种 JA 生物合成基因（例如 PLA1、LOX4 和 AOS）的表达也出现下调。尽管 JA 生物合成基因的表达存在这种全局下调，接种病原体的无内生真菌的植物中，编码JAZ 蛋白的基因表达下调，表明植物 JA 防御反应可能已经被激活。在 E+ 植物中，接种病原菌使几种JA生物合成基因（即FAD7、PLD-&1、LOX1、LOX4、AOS和ACX-4）的表达下调。与E-植物相比，E+植株中下调基因的数量更多。

与此一致，内生真菌共生植株中，编码JA响应标志物的基因表达下调。在未接种内生真菌的植株中，病原菌降低了JA合成相关基因的表达。然而，尽管JA生物合成基因的表达整体下调，但病原体降低了无内生真菌植物中编码JAZ蛋白基因的表达，表明植物JA防御反应可能已经被激活。一些与JA转录级联相关的植物基因的表达在接种病原体植物中上调。在内生真菌共生植株中，病原菌处理使几种JA生物合成基因下调（即FAD7、PLD-&1、LOX1、LOX4、AOS和ACX-4）。与E-植物相比，E+中下调的基因数量更多。此外，内生真菌共生植物中JAZ蛋白的全局下调，表明JA防御反应的激活。与此一致，病原体增加了内生真菌共生植物中 PPOB 基因的表达。

 

文章亮点

作者经研究发现，植物免疫系统与Epichloë属内生真菌之间的相互作用可以显著促进内生菌共生植物对病原体的抗性。内生植物对病原菌的抗性增强可能是由于Epichloë共生体促进了与SA信号通路相关的植物酶活性的潜在增加。研究过程中作者进行了常规生理指标检测，结合转录组进行分析，思路简单值得借鉴学习。

中文名: 转录组分析揭示在不同土壤湿度条件下醉马草内生真菌植物激素生物合成和响应途径的改变

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

杂志：Journal of Fungi

影响因子：5.82

研究背景

醉马草(Achnatherum inebrians)内生真菌(Epichloë gansuensis)共生体研究, 是我国禾草内生真菌研究领域的重要方向。内生真菌可提高干旱胁迫条件下醉马草种子萌发率和植株耐旱性。无论是温室或田间干旱胁迫条件下,带菌(E+)醉马草种子发芽率、发芽指数、胚根长、胚芽长,植株分孽数、生物量、根冠比均显著高于不带菌(E-)醉马草，增加旱后恢复能力和水分利用效率。可能的机理是适度干旱胁迫条件下内生真菌的侵染增加了E+醉马草的叶片含水量、脯氨酸和过氧化物酶的含量，调节了气孔的开闭及增强了其光合与养分的吸收能力。但基于转录组学的耐旱分子机理研究较少。

研究目的

本研究旨在探讨不同水分条件下，内生真菌对植物激素生物合成和响应途径相关基因表达以及醉马草水杨酸 (SA) 和茉莉酸 (JA) 激素含量的影响。

材料方法

1.转录组分析：
材料：2013年采集于兰州大学榆中校区牧区农业科技学院试验田（东经104°39′，北纬35°89′，海拔1653 m）的EI和EF 醉马草植物种子。
平台：Illumina HiSeq 2500（北京百迈客生物）

2.实时定量PCR (qRT-PCR) 分析：转录组测序相同样本（武汉天一汇源生物）

3.水杨酸 (SA) 和茉莉酸 (JA) 激素含量测定：酶联免疫吸附试验（ELISA）测定 （上海凡科）

4.统计分析：SPSS 22.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）

研究结果

1. 与激素生物合成和反应相关的差异表达基因 (DEG) 分析

与30%土壤含水率处理相比，EF处理的土壤为处理组。基因表达倍数变化大于等于2且FDR值小于0.05的unigenes定义为DEGs。基于这些严格的标准，DEF 与 DEI 之间有 6 个（0 个上调和 6 个下调）DEG，NEF 与 NEI 之间有 26 个（6 个上调和 20 个下调）DEG，WEF 与 WEI 之间有 22 个（16 个上调和 6 个下调）DEG， NEF 与 DEF 之间的 2 个（2 个上调和 0 个下调）DEG，NEF 与 WEF 之间的 3 个（0 个上调和 3 个下调）DEG，NEI 与 DEI 之间的 9 个（9 个上调和 0 个下调）和 8 个（6 个上调和 2 个下调） NEI 与 WEI 之间的 DEG。在每次处理中，我们都检测到独特和重叠的 DEG 集。

根据不同处理下的分析，我们共发现了 51 个与激素生物合成和反应途径相关的 DEG。包括12个IAA相关基因、8个CTK相关基因、3个GA相关基因、7个ABA相关基因、7个ET相关基因、12个JA相关基因和4个SA相关基因。

激素生物合成和分解代谢相关基因的转录表达模式

2. DEG的KEGG 通路富集分析

对51个DEG 进行了KEGG 通路富集分析，“植物激素信号转导（ko04075）”、“α-亚麻酸代谢（ko00592）”、“半胱氨酸和蛋氨酸代谢（ko00270）”和“亚油酸代谢（ko00591）”类别显着丰富。对51个DEG进行了 GO通路富集分析，注释到了29个GO分类。在生物过程类别中，“代谢过程”是最主要的，其次是“细胞过程”和“单一生物过程”。细胞成分类别中，“细胞”和“细胞部分”是最主要的，其次是“细胞器”。在分子功能类别中，“结合”是最主要的。

KEGG 通路富集分析和GO富集分析结果展示

3. JA和SA含量分析

内生真菌的存在与否，醉马草内生真菌相互作用对JA和SA均有含量有显着影响。在60% 土壤水分含量下，醉马草JA 含量EF显著高于 EI。在 EI 或 EF 植物中，土壤水分含量对 JA 含量没有显著影响。对于 EI 植物，三种土壤含水量处理的 JA 水平同样低。对于 EF 植物，只有在 15% 的土壤水分含量时，JA 水平与 EI 植物一样低。在 30% 和 60% 的土壤水分含量下，醉马草EF的SA含量显著高于EI。醉马草EI在30%和60% 土壤水分含量下的 SA 含量显著高于15%土壤水分含量。

不同水分和内生菌处理下的JA和SA含量

4 .与JA和SA生物合成和反应途径相关的DEGs

分析不同处理下，与JA和SA生物合成和反应途径相关的DEGs。发现了12个参与α-亚麻酸代谢和JA介导的信号通路的基因和4个参与苯丙氨酸和SA介导的信号通路的基因。JA和SA生物合成和反应途径的关键基因，如LOX2S、AOS、OPR、ACX、JMT、JAZ、PAL、NPR1、TGA和PR-1，表现出不同程度的上调或下调。

5.使用 qRT-PCR 验证 RNA-Seq 数据

选择了 13 个 DEG 进行 qRT-PCR 分析。线性回归分析检测到 qRT-PCR 和 RNA-seq 结果之间呈正相关，相关系数为0.8。因此，本研究中的 RNA-seq 结果准确可靠。

qRT-qPCR 验证转录表达变化

文章亮点

作者研究表明，在醉马草内生真菌共生体中，JA和SA的含量以及植物激素合成的激活受到内生真菌的存在和土壤水分含量的影响。然而，这些途径激活的影响，特别是 JA 和 SA 对耐旱性和更广泛的宿主防御反应的作用，仍未完全确定。为了更好地了解内生真菌的存在如何对生长在中国西北部干旱、半干旱草原生态系统中的醉马草植物的持久性产生积极影响的研究提供了参考价值。