落叶松-杨栅锈菌HOG途径关键调控基因的功能分析

Poplar foliar rust caused by Melampsora larici-populina Kleb. is an important forest disease worldwide. A collection of hybrid poplars have been generated with complete resistances to M. larici-populina, however, almost all poplar cultivars are susceptible to the rust fungus. Thus it is beneficial to clarify the molecular mechanism by which M. larici-populina establishes infection in the host, for defining new strategies to control this disease. MAPK cascade of the HOG pathway in plant pathogens is involved in pathogenesis and in response to various stresses. However, so far very little is known about the roles of this MAPK cascade in M. larici-populina. In this study, we aim to identify MAPK cascade of the HOG pathway from M. larici-populina, analyze the transcript level, investigate the subcellular localization and interaction, and finally perform the functional characterization using the approach of the complementation assay, the overexpression assay and host induced-gene silencing. This project will reveal the pathogenesis of this conserved MAPK cascade at the molecular level and lay the foundation for improvement of the poplar foliar rust resistant breeding.

落叶松-杨栅锈菌侵染引起杨树叶锈病，该病害在世界范围内严重影响杨树生产，其控制主要依靠抗病品种的选育和应用，但病原菌新生理小种的出现导致品种抗病性降低或丧失。因此，揭示病原菌致病分子机理对杨树抗锈品种的遗传改良具有重要的理论和实践意义。HOG信号传导途径在植物病原真菌响应外界逆境胁迫方面具有重要作用，并且参与多种植物病原真菌的侵染与致病过程。然而，HOG途径在落叶松-杨栅锈菌中的功能目前尚不明确。本研究拟在前期研究基础上，围绕落叶松-杨栅锈菌HOG途径关键调控基因，分析目的基因转录模式、编码蛋白亚细胞定位特点及互作关系，借助模式真菌突变体异源互补和过表达技术及寄主诱导基因沉默技术明确目的基因在响应外界逆境胁迫及侵染致病过程中的作用，以期揭示落叶松-杨栅锈菌HOG信号传导途径致病分子机理，也为杨树抗叶锈遗传工程的实施及杨树叶锈病持久控制的新策略奠定理论基础和提供技术支撑。

专性寄生真菌落叶松-杨栅锈菌在全球范围内侵染杨树引起杨树叶锈病，影响杨树健康生产，带来重大经济损失。新致病小种的不断出现对选育和应用抗病品种带来多重困难，揭示落叶松-杨栅锈菌响应环境胁迫和参与侵染致病的相关机理可为杨树叶锈病的防治提供理论依据。前期研究推断MlpHOG1基因参与落叶松-杨栅锈菌侵染菌丝生长和响应环境胁迫，MlpcPKA1基因在锈菌菌丝生长、有性生殖、侵染致病方面发挥作用。借助酿酒酵母和稻瘟菌异源互补试验及亚细胞定位综合分析，揭示MlpHOG1基因在落叶松-杨栅锈菌响应渗透压胁迫方面具有积极的作用。同源克隆获得落叶松-杨栅锈菌中国毒性菌株MlpRCK1/2-like、MlpMCM4和MlpNHA1-like基因CDS片段，通过一对一验证表明MlpRCK1/2-like蛋白和MlpHOG1蛋白能够相互作用，筛选酵母文库及测序比对显示共有5个基因的编码蛋白可能与MlpcPKA1基因编码蛋白互作，这为后续阐明MlpHOG1蛋白和MlpcPKA1蛋白各自介导通路在落叶松-杨栅锈菌中的作用提供帮助。在落叶松-杨栅锈菌与感病杨树亲和互作早期阶段表达蛋白中鉴定到7个分泌蛋白，可能是候选的锈菌效应分子。利用生物信息学手段从氨基酸替换、正选择压力及基因扩张收缩方面揭示了锈菌与花药黑粉菌之间植物寄生属性的趋同特征。发现落叶松-杨栅锈菌基因存在片段复制、串联复制、相邻复制和转座复制等多种类型，共线性分析挖掘到一个候选分泌蛋白。密码子偏好性分析显示落叶松-杨栅锈菌全基因水平的密码子偏好性较低，基因密码子使用模式受到选择压力和突变压力等多重因素的影响，突变压力的影响相对更多。本项目从生物信息学、组学、分子生物学等角度开展研究，为揭示落叶松-杨栅锈菌生长发育、响应胁迫和侵染致病的机理奠定基础，也为杨树叶锈病的有效防治提供帮助。