芝麻枯萎病菌致病分子机理研究

Sesame Fusarium Wilt (SFW), caused by Fusarium oxysporum f. sp. Sesami (FOS), is one of the two devastating fungal diseases in sesame and seriously restricting the normal development of sesame production in China. However, little was studied on infection characteristic and pathogenesis mechanism of SFW pathogen. In this study, through early investigating the infection process of pathogenic FOS, a global survey of transcriptome of this pathogen was performed and validated to uncover the association between important infection events and transcriptional regulation network of genes involved in transduction of early invasion signal, morphogenetic differentiation of infection structure and expression of pathogenic factors. On the other hand, the constructed T-DNA insertional mutant library was screened to obtain several non-pathogenic mutants and mutants with severely reduced pathogenicity. Uniting the mutant screening with the transcriptome data of the infected pathogen, more key genes involved in fungal pathogenicity were selected and isolated. Characteristic and functional analysis of these genes was further performed by Real-time PCR, gene knockout technique, gene complementation and subcellular localization assays. In this way, carrying out this project would reveal molecular pathogenesis mechanism of SFW and provide the theoretical basis to establish a sustainable strategy for control of Fusarium disease.

由尖孢镰刀菌芝麻专化型（Fusarium oxysporum f. sp. Sesami，FOS）引起的芝麻枯萎病（Sesame Fusarium Wilt，SFW）是我国芝麻生产上的主要病害之一，严重威胁着我国芝麻产业的健康发展。然而，目前关于芝麻枯萎病菌侵染特征及致病机理的研究却极为有限。因此，本项目通过系统分析芝麻枯萎病菌强致病性菌株的侵染特征，开展不同侵染时间点病原菌的转录组分析，明确侵染过程中参与信号传导、侵染结构分化以及致病因子调控等重要分子事件的基因调控网络；同时筛选并获得多个致病性改变的T-DNA插入突变体，结合转录组分析结果鉴定和克隆该病原菌的致病相关基因，进一步利用实时定量PCR、基因敲除、突变体互补、亚细胞定位等技术手段解析这些基因在致病过程中的具体特征和功能。这些研究将为揭示芝麻枯萎病菌的致病分子机理，甚至为制定芝麻枯萎病的合理防控策略提供一定的理论支持。

由尖孢镰刀菌芝麻专化型（Fusarium oxysporum f. sp. Sesami，FOS）引起的芝麻枯萎病是我国芝麻生产上的主要病害之一。为揭示芝麻枯萎病菌的致病机理，本项目进行了FOS侵染过程观察、致病过程中转录调控网络分析以及致病相关基因的克隆和功能研究。FOS侵染过程观察发现，在接种FOS后分生孢子大量萌发并产生菌丝粘附于根外表皮表面，随后侵入根表皮细胞，沿表皮细胞间隙生长扩展，形成菌丝网络并侵入根维管束内产生大量分生孢子，进行再次侵染，堵塞部分维管束，进而引起根部细胞的大量死亡。根据FOS侵染过程观察结果，对FOS分生孢子及接种后的根部样品进行转录组测序分析，确定2802条转录本序列在FOS生长发育及致病过程中差异表达。这些差异表达基因参与了细胞组分、分子功能和生物进程中等诸多的生理生化过程。其中，金属离子转运子、氧化酶和几丁质酶等酶类、蛋白激酶、钙调蛋白、小G蛋白和部分分泌蛋白等参与了FOS的结构分化、侵染物质释放、致病因子调控及信号传导等重要功能，在FOS致病过程中起着重要的作用。另外，通过对2534个FOS T-DNA插入转化子进行室内致病力鉴定，筛选出了39个FOS致病突变体。基于已拼接完成的FOS基因组数据，分离得到16个FOS致病相关基因。通过实时定量PCR分析及基因基因敲除和互补功能研究，明确基因9P2-16、9PA358、9PA430、9PA493和9PA541的缺失能够导致HSFO 09100致病力的减弱。进一步分析表明，驱动蛋白家族成员、鸟氨酸脱羧抗酶、RNA结合蛋白fus/tls、蛋白质二硫键异构酶相关蛋白A和假定的免疫球阻断蛋白可通过影响细胞有丝分裂、RNA剪切、蛋白合成折叠以及对抗性蛋白的阻断，在FOS生长发育及致病过程中起重要作用。另外，以侵染过程中特异表达的尖孢镰刀菌无毒基因SIX家族同源物的存在特征为基础，可将我国FOS菌株划分为4个生理小种，其中生理小种1是引起我国芝麻产区枯萎病发生的主要流行小种。上述研究结果将为芝麻枯萎病菌药物靶标设计、病害流行预测以及病害综合防控提供理论依据。