在禾生炭疽菌(Colletotrichum graminicola)中观察到的功能性RNA干扰(RNAi)反应,揭示了宿主诱导的基因沉默机制在对抗玉米炭疽病方面的潜在作用

《Physiological and Molecular Plant Pathology》:Functional RNAi Response in Colletotrichum graminicola Reveals Potential for Host-Induced Gene Silencing Against Maize Anthracnose

【字体: 时间:2026年02月23日 来源:Physiological and Molecular Plant Pathology 3.3

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  RNAi策略通过沉默玉米炭疽病菌的几丁质合成酶基因(CHSV、CHSVII)和磷酸泛醌转移酶基因(PPT),在离体叶片及培养基中有效抑制真菌生长,且siRNA与dsRNA抑制效果相当。转基因玉米表达CHSVII dsRNA显示抗性梯度,为病害生物防治提供新思路。

  
Raquel Pereira Passos Salgado|Gabriel Angelo Saraiva Raimundo|Lucas Rom?o Gava|Andréa Almeida Carneiro|Fernando Hercos Valicente|André da Silva Xavier|Newton Portilho Carneiro
巴西米纳斯吉拉斯州拉夫拉斯联邦大学,邮编37203-202

摘要

Colletotrichum graminicola是一种丝状真菌,会导致玉米炭疽病,造成高达35%的产量损失。RNA干扰(RNAi)已通过多种方法成功用于保护作物免受植物病原真菌的侵害,显示出在沉默目标基因方面的显著效率。本研究评估了RNAi介导的C. graminicola几丁质合成酶基因(CHSVCHSVII)以及参与黑色素生物合成途径的磷泛肽转移酶基因(PPT)的沉默效果,这些基因与C. graminicola的致病性直接相关。此外,还测试了siRNA和dsRNA在培养基和离体玉米叶片上的局部应用效果。结果表明,与长链dsRNA相比,siRNA在降低转录本水平方面更为有效;而在离体玉米叶片上则观察到相反的结果。siRNA和dsRNA在总体抑制效果上没有显著差异,两种方法均能抑制真菌生物量的积累并减轻玉米叶片上的炭疽病症状。研究还测试了在实验性感染C. graminicola的转基因玉米中表达CHSVII dsRNA的效果。20个转基因玉米品系的炭疽病严重程度从轻到重不等,这表明该方法也可用于缓解该病害。本研究中应用的RNAi策略能够在体外体内抑制C. graminicola的生长,并保护转基因玉米植株免受炭疽病的影响,为未来减少玉米田中杀菌剂使用量提供了可能。

引言

Colletotrichum属目前被列为全球十大最重要的植物病原真菌之一,因其对植物病理学研究具有重大经济影响[1],[2]。该属的物种可引起炭疽病,影响多种植物宿主,包括热带和温带作物以及观赏植物、木本植物和草本植物[3],[4],[5],[6],[7],[8]。C. graminicola能够对玉米造成严重损害,并表现出显著的遗传多样性。在一项研究中,从巴西七个生态地理区域采集的C. graminicola单孢子分离株中,有四个分离株对15个热带玉米基因型表现出高度毒力[9]。
C. graminicola产生的透明、镰刀形、无隔膜的孢子形成于称为分生孢子的结构中,这些分生孢子周围有刺状突起[10]。感染过程中,孢子落在叶片表面并形成称为附着器的特殊结构,负责穿透叶片表皮。黑色素在此阶段起关键作用,通过增加附着器内的膨压使真菌能够突破叶片角质层。因此,黑色素被认为是C. graminicola致病性的关键因素[11]。C. graminicola的生活周期介于生物营养型和坏死营养型两种生活方式之间:在生物营养型阶段,真菌与宿主细胞建立寄生关系;而在坏死营养型阶段,真菌诱导细胞死亡并形成广泛病变,最终导致植物死亡[12]。炭疽病的典型症状包括茎部腐烂和叶片上的坏死病变[13]。
使用杀菌剂仍然是控制具有经济重要性的作物中真菌病害的最常见和有效策略之一。然而,其广泛和重复的使用导致了抗性真菌种群的增加、环境污染以及对非目标生物的影响。利用dsRNA等生物分子的可持续管理措施已成为提高病害控制效果的同时降低环境风险的关键。
RNA干扰(RNAi),也称为转录后基因沉默,是真核生物中一种内在且保守的调控机制[14]。其作用机制是将双链RNA(dsRNA)片段加工成小干扰RNA(siRNA),进而引导目标转录本的降解[15]。RNAi已成为功能基因组学中的广泛应用工具[16],并在提高作物对病原体的抗性方面显示出良好效果[17],[18]。为实现这一目标,已开发出多种方法,包括体外合成dsRNA片段并通过喷雾诱导基因沉默(SIGS)[19],[20],[21]等技术将其直接递送到目标生物体。此外,基因工程技术还发展出了宿主诱导基因沉默(HIGS)和病毒诱导基因沉默(VIGS)等方法,这些瞬时转化技术成功降低了多种作物品种中病原真菌的感染性[22],[23],[24],[25],[26]。
RNA干扰(RNAi)在控制昆虫、线虫、病毒和寄生植物方面取得了成功[19]。尽管RNAi在控制某些生物体方面取得了成功,但在管理玉米炭疽病等植物病原真菌方面仍较少有成功案例。因此,需要考虑不同的局部应用方法,尤其是转基因玉米中表达dsRNA的效果。
参与初级和次级代谢且对真菌致病性至关重要的基因,如磷泛肽转移酶(PPTases)和聚酮合酶(PKSs),已被确定为控制植物感染的潜在靶标。PKSs通过PPTases催化的磷泛肽转移反应在翻译后被激活,这些酶还调节真菌的初级代谢成分[27]。在Colletotrichum属和Magnaporthe oryzae中,PKS衍生的黑色素对于在附着器中产生膨压是必需的,基因敲除研究表明,当黑色素生物合成受到干扰时,病原性会直接丧失[28],[29]。
几丁质合成酶(CHS)是一类参与几丁质合成的关键酶,几丁质是一种聚合物(1,4-乙酰葡萄糖胺)。几丁质是真菌细胞壁的关键结构成分,赋予细胞形状和硬度[30]。CHS包含多个同工酶,根据氨基酸序列相似性分为不同的类别,由CHSICHSIICHSIIICHSVCHSVII等基因编码[31]。几丁质生物合成途径是开发新型杀菌剂以控制田间植物病原真菌的目标之一[32]。因此,在C. graminicola中沉默特定的CHS基因是控制玉米炭疽病的有前景策略。
本研究探讨了三种不同基因(CHSVCHSVIIPPT)在两种不同条件(培养基和叶片组织)下对C. graminicola的局部应用效果。此外,还研究了过表达CHSVII基因在转基因玉米中对C. graminicola的控制作用。这些发现有助于开发基于RNAi的策略来控制这种植物病原真菌。

部分内容

真菌分离株、致病性测试、菌丝生长和孢子形成

从巴西米纳斯吉拉斯州塞特拉戈阿斯的Embrapa玉米和高粱微生物库存中心获得了C. graminicola的单孢子分离株(21.10和10.09)。通过测序(Hitachi 3500 Genetic Analyzer?)并使用基因特异性引物(表S1)通过BLASTn(基本局部比对搜索工具)分析GAPDH(甘油醛-3-磷酸脱氢酶)、ITS(内部转录间隔区)和β-微管蛋白基因,确认了这些C. graminicola分离株的身份

C. graminicola中的RNAi机制是保守且功能正常的

C. graminicola基因组中已鉴定出与RNA沉默机制相关的关键基因。这些基因编码三种RNA依赖的RNA聚合酶(RDR)同源物(RDR1RDR2RDR3)、两种Dicer同源物(DCL1DCL2)以及两种Argonaute同源物(AGO1AGO2)。对这些基因在C. graminicola和几种子囊菌物种中编码的蛋白质进行的系统发育分析表明,它们属于Quelling或MSUD(非配对减数分裂沉默)机制的组成部分

讨论

真核生物的siRNA通常分为三类:短干扰RNA(siRNAs)、microRNAs(miRNAs)和Piwi相互作用RNA(piRNAs)。RNA在真核细胞中通过转录和转录后水平介导沉默机制[54],涉及由Dicer或Dicer样酶(DCL)将双链RNA(dsRNA)加工成小RNA(21–30个核苷酸)的过程[55]。这些小RNA随后被整合到RNA诱导的沉默系统中

结论

引起炭疽病的植物病原体C. graminicola可以通过RNAi机制在玉米中得到控制。在本研究中,使用siRNA进行的剂量-反应实验发现,较高浓度可能无法有效诱导基因沉默,这可能是由于参与RNA沉默途径的酶被饱和所致。因此,中等浓度(1μg)获得了最有效的沉默效果。在C. graminicola体外实验中,转录本水平得到了降低

CRediT作者贡献声明

Raquel Salgado:研究工作、数据整理。Andréa Carneiro:写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法学。Fernando Valicente:写作——审稿与编辑。Gabriel Raimundo:方法学、研究、概念构建。Lucas Gava:验证、方法学。André da Silva Xavier:写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、研究、数据分析、数据整理。Newton Carneiro:写作——审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文期间,作者使用了ChatGPT来纠正语法/英语结构。使用该工具/服务后,作者对内容进行了必要的审查和编辑,并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢米纳斯吉拉斯州研究基金会(FAPEMIG)和巴西农业研究公司(Embrapa)在财务和机构支持方面的帮助。
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