bE2-bW1复合体调控甘蔗黑穗病菌丝状生长的机制

Sugarcane smut caused by Sporisorium scitamineum is the most important disease on sugarcane in China. The fungus is characterized by its dimorphism: yeast phase and filamentous phase, in its life cycle. A transition from yeast phase to filamentous phase is required for pathogenicity on sugarcane. In this proposal, we aim to dissect the mechanism of filamentous growth regulation through resolution of the bE2-bW1 complex structure, ChIP-Seq, RNA-Seq, and mutagenesis by T-DNA insertion to identify candidate genes involved in filamentous growth at whole genome scale. The essential genes responsible will be identified and confirmed functionally by gene knockout or overexpression. It is anticipated that knowledge gained through this project will be of help in developing new strategy for better control of smut disease.

甘蔗黑穗病菌（Sporisorium scitamineum）是引起我国甘蔗生产上最严重的病害甘蔗黑穗病的病原菌，具有酵母状和菌丝状两种表型。在二态真菌中，由酵母状单细胞向菌丝状多细胞的表型转变与其致病性密切相关。本项目拟通过对甘蔗黑穗病菌调控丝状生长的关键蛋白bE2-bW1复合体进行蛋白结晶及结构解析，结合ChIP-Seq、RNA-Seq、T-DNA插入突变等技术在全基因组水平上筛选受bE2-bW1复合体调控的基因网络，进一步通过基因敲除或过表达等方法对相关基因进行功能验证，鉴定关键调控基因，阐明丝状生长的调控机制，为发展新的更好的病害控制方法奠定基础。

甘蔗黑穗病菌的丝状生长和致病性发育受b交配型位点上的bE和bW两个同源结构域蛋白编码基因的控制。 通过本项目，1）明确了异源bE和bW蛋白的二聚是通过两个蛋白N端的可变区而非C端DNA结合结构域进行主要的相互作用。其中 bW的N端螺旋和bE的39-46氨基酸为两者识别和相互作用的关键位点。 在全基因组水平筛选鉴定出12个与bE/bW异源二聚体直接结合的靶标DNA分子，构建了bE-bW-DNA复合物的结构模型，定位了bE/bW异源二聚体结合靶标DNA分子的关键氨基酸残基及互作亲和力，阐明了bE/bW异源二聚体识别靶标DNA结构基础及其调控机制。2）以发病甘蔗黑鞭为材料构建酵母双杂交诱饵文库，以bE蛋白为猎物进行互作蛋白筛选，共得到13个甘蔗黑穗病菌候选互作蛋白。3）建立了可操作的甘蔗黑穗病菌遗传系统。以健康甘蔗组培苗为媒介，可将特定基因型/表型特征转移至后代两种交配型担孢子中，或将多个特定性状或突变在后代担孢子中自由组合。通过T-DNA插入突变的方法获得6个在单倍体状态下呈丝状生长的突变株，经遗传重组获得成对的等位突变丝状突变体，经重测序定位到4个突变的具体位置，并明确6种不同的丝状突变对病菌致病性发展及冬孢子的形成具有不同程度的影响，揭示甘蔗黑穗病菌有性配合/丝状生长调控途径与致病性调控途径之间可以解偶联。4）通过对敲除株、回补株进行表型、致病力检测及分子生物学实验，研究了甘蔗黑穗病菌中多个与丝状生长与致病相关的功能基因，其中效应物SsPep1通过抑制宿主甘蔗POD-1a的过氧化物酶活性，从而抑制过氧化物酶驱动的氧化爆发，在宿主植物中发挥缓解活性氧相关胁迫的作用。此外，Sspep1基因在真菌内部参与有性配合过程中信息素的产生、识别及响应过程，为病原菌正常有性配合/丝状生长所必须。同时，Sspep1基因还参与调控病原菌致病性发展及冬孢子的形成。明确SsRss1基因参与病原菌的水杨酸感应过程；SsUbc2基因作为接头蛋白及激酶调控因子，通过全局调控MAPK通路相关基因、hgl1等基因的转录、表达来影响病原菌的有性配合/菌丝生长。