英国研究人员揭示小麦叶枯病菌诱导小麦叶枯病的分子机制

2022年9月26日，Nature communications在线发表了英国埃克塞特大学、荷兰乌特勒支大学Gero Steinberg团队题为“Zymoseptoria tritici white-collar complex integrates light, temperature and plant cues to initiate dimorphism and pathogenesis”的研究论文。该研究分析了温度对叶枯病菌二型性转换和病原菌毒性的影响，并通过突变体筛选发现了WCC复合物在调控叶枯病菌二型性转换和病原菌毒性中的关键作用；揭示了叶枯病菌整合光、温度和叶表面信号诱导小麦叶枯病的分子机制。

真菌病害造成的作物损失对粮食安全和生物经济构成了重大挑战。小麦是全球种植最广泛的作物；叶枯病菌（Zymoseptoria tritici）是叶面病害小麦叶枯病（STB），对温带气候下生长的小麦最具破坏性。即使利用杀菌剂的疾病缓解措施，STB仍会使小麦产量每年减产约5-10%。在Z. tritici中，有性子囊孢子可引发小麦的初次感染，而后续感染则通过无性孢子。Z. tritici的感染周期从小麦叶表面开始，孢子经历二型性转换（dimorphic transition）成为菌丝。这些结构通过气孔侵入并定植到植物组织内；一旦菌丝侵入，菌丝就会分泌效应蛋白以调控植物的防御，以及植物细胞壁降解酶，为病原体的生长提供营养。最后，它们形成子实体（分生孢子），并释放新的无性孢子，以启动进一步的感染。

近年来，已鉴定出各种与Z. tritici二型性转换相关的蛋白质，并显示出对Z. tritici致病性的影响；包括转录因子、激酶、信号分子和细胞周期蛋白。然而，对Z. tritici中二型性转换开关的理解，仍很零碎化。通常，高温被认为会诱导细胞热应激，并被证明会影响基因组的稳定性和突变率。有趣的是，Z. tritici被转移到 25-28℃?时可在体外形成菌丝。但Z. tritici对小麦的感染一般发生在温度较低的5月；高温与田间感染的相关性值得怀疑。

通过对Z. tritici二型性转换的形态特征进行表征，该研究发现27℃高温可对Z. tritici施加热应激。另外，由于Z. tritici在小麦生长季节中可经历多个感染周期，病原体可能会在田间经历这种诱导热应激的温度；如法国和英国的6、7月（Figure 1）。

Figure 1. 温度对Z. tritici二型性转换的影响

为了进一步研究适中的温度是否会引起低水平的Z. tritici二型性转换，研究人员开发了一种荧光二型性转换报告基因（FDR1）；它可以检测孢子（红色荧光）到菌丝（绿色荧光）的早期转变。选取12℃作为小麦田间生长的温度，该研究发现，Z. tritici二型性转换是一种对植物表面信号的快速反应，而碳和氮的消耗不会引起二型性转换；表明叶子表面化合物和温度可能提供独立的信号，协同诱导叶片上的菌丝生长，从而使Z. tritici能够侵入叶片（Figure 2）。

Figure 2. Z. tritici二型性转换的荧光报告系统FDR1

以上结果都是通过Z. tritici菌株IPO323获得的，该研究证明，其他菌株MC2306、1E4 和T5可对温度升高和叶片表面信号作出类似反应，从而启动菌丝的生长。利用转录组学比较孢子和菌丝中基因表达的差异性，该研究发现了1261个在所有菌株的菌丝中上调或下调的泛菌株核心二型性（PCDG）基因，分别被称为PCDG↑和PCDG↓。对转录组数据分析发现了一系列的光反应蛋白（velvet因子、视蛋白、蓝光的潜在受体），表明光在控制Z. tritici菌丝生长中发挥了核心作用（Figure 3）。

Figure 3. Z. tritici孢子和菌丝的转录组分析

该研究发现，上述PCDG基因中也编码有很多植物细胞壁降解酶类似物（PCWDE）和效应蛋白；并显示，在无植物环境中生长的无菌菌丝仍可表达大量与感染相关的蛋白质，为菌丝形成并入侵植物提供了条件。另外，包括坏死因子在内的效应蛋白的表达，也可在小麦叶表面的孢子向菌丝转变过程中被诱导，发生在侵入前（Figure 4）。

Figure 4. Z. tritici效应蛋白在植物中的表达

为了深入了解孢子到菌丝转变的调控过程，该研究进行了二型性转换缺陷型突变体筛选，并发现其中一些突变体对应基因为蓝光受体WC-1/2（white-collar）的同源基因（wco1/2）。含wco1或wco2突变的Z. tritici，在受感染的植物中仅出现较弱的病症。由于WC-1和WC-2以WCC复合物的形式作用；该研究表明WCC复合物对Z. tritici的二型性转换，及对植物的侵染至关重要（Figure 5）。

Figure 5. 缺陷型突变体筛选及WCC复合物的鉴定

最后，该研究显示，WCC复合物的作用是通过调控PCDG的表达来实现的。另外，WCC复合物可将光与生物和非生物信号结合起来，以协调Z. tritici的侵染；表明WCC复合物整合光、温度和叶表面信号以优化Z. tritici菌丝对植物气孔的侵入。

综上所述，该研究讨论了温度在 Z. tritici二型性转换和病原菌毒性中的作用，并揭示了WCC复合物在这些过程中的关键作用：在小麦叶子上，WCC复合体感知光线并将这些信息与小麦叶子表面上的未知信号以及升高的温度相结合，从而诱导二型性转换；WCC可通过诱导核心二型性基因表达的变化，来驱动Z. tritici二型性转换；Z. tritici菌丝分泌的效应蛋白和PCWDE通过气孔进入植物组织，并帮助Z. tritici定殖（Figure 6）。

Figure 6. WCC调控Z. tritici二型性转换和致病性的作用模型

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-33183-2

数据来源 : Mol Plant植物科学