稻瘟病菌转座元件转座活性的表观调控及其与无毒基因功能关系的研究

Magnaporthe oryzae, the causal agent of rice blast and wheat blast disease, is a serious threat to global food security, while the complicated population and rapid mutation of avirulence (AVR) genes of the fungus tremendously restricts the persistantly effective diseases management. Further study on molecular mechanism underlying the rapid mutation is of great scientific and practical importance. A large amount of the transposable elements (TEs) in the genome are closely involved in the rapid mutation of the fungal AVR genes, however, the regulatory mechanism for the TE mobilization is not clear yet. Recently, DNA methylation has been proved to play a role in regulating the transcriptional activity rather than the mobilization of TEs in M. oryzae, indicating that the epigenetic regulation of TE mobilization is likely more complex than expected. Therefore, in this study, we will apply functional genomics and epigenetic approaches to further explore the regulatory mechanism for TE mobilization in M. oryzae, through analyzing the interrelation among DNA methylation, histone methylation, and small RNA-mediated DNA methylation, and their potential reciprocal action on the regulation of TE mobilization. Our results will provide new theoretical basis for understanding the rapid mutation mechanism of AVR genes in the rice blast fungus.

由稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）引起的稻瘟病和麦瘟病严重威胁着世界粮食生产安全。稻瘟病菌群体复杂且无毒基因快速变异是制约稻瘟病持久有效防控的主要原因，需要深入研究阐明稻瘟病菌无毒基因快速变异的分子机制。稻瘟病菌无毒基因的快速变异与基因组中大量存在的转座元件密切相关，但是转座元件的转座活性调控机制尚未明确。最近的研究表明，稻瘟病菌DNA甲基化可以调控转座元件的转录水平，但与其转座活性无关，推测转座元件转座活性的表观调控机制极有可能更为复杂。因此，本项目拟将功能基因组学与表观遗传学结合起来，通过研究稻瘟病菌DNA甲基化、小RNA介导的DNA甲基化、组蛋白甲基化之间的相互关系及其在调控转座元件转座活性过程中的交互作用，深入探索稻瘟病菌转座元件转座活性的表观调控机制，为进一步揭示稻瘟病菌无毒基因的快速变异机制奠定基础。

由稻瘟病菌引起的稻瘟病是导致水稻减产最严重的病害之一。转座元件介导的无毒基因快速变异是导致水稻稻瘟病抗性品种迅速失去抗性的关键。表观机制在真核生物转座元件转座活性调控方面具有重要的作用。因此，解析稻瘟病菌转座元件转座活性的表观调控机制对于增进我们对稻瘟病菌变异致灾机制的理解具有重要的意义。为解析转座元件的表观调控机制，本项目开展了系列研究，获得主要结果如下：通过比较两个不同类群稻瘟菌株3种DNA甲基化分布及其功能，明确了稻瘟病菌转座元件适应不同寄主和抗性选择压力下的甲基化特征；通过构建单基因敲除和双基因敲除突变体，研究稻瘟病菌两个DNA甲基化酶的功能，发现双敲除突变体表型与Modim2突变体表型基本一致；通过分析DNA甲基化主要蛋白Modim2与不同组蛋白甲基转移酶的双基因敲除突变体的表型，发现它们之间可能不存在相互作用。但是，研究发现组蛋白甲基转移酶PoKmt6单独在转座元件转座活性调控方面具有重要作用；通过对田间菌株的比较基因组学分析，揭示了转座元件在介导稻瘟病菌无毒基因/致病性相关基因变异，以快速适应水稻寄主过程中的重要作用。同时，研究发现一些表观修饰元件在稻瘟病菌生长发育和致病过程中具有重要功能，包括：稻瘟病菌组蛋白甲基转移酶PoKmt6通过介导H3K27me3修饰，调控生长发育、致病性和效应蛋白的转录；初步阐明稻瘟病菌延伸复合物蛋白PoElp3通过调控自噬影响生长发育和致病性的机制；明确小RNA生物合成途径主要元件PoAgo3可协同PoDcl2或者PoRdrp2调控稻瘟病菌生长和致病过程。此外，本项目研究还揭示了水稻DNA甲基化修饰在调控病程相关基因表达以响应稻瘟病菌侵染过程中的作用。相关研究结果增进了我们对表观调控的稻瘟病菌致病/致灾机制的了解，并为稻瘟病生态防控提供了理论基础。