灰霉菌黑色素合成代谢调节其致病性的分子机制

Botrytis cinerea is a necrotrophic pathogen with a broad host range, causing gray mold disease and huge losses worldwide annually. It’s of greatly theoretical and practical value to investigate the pathogenicity and related regulation mechanism of this model pathogenic fungus. Melanin pigments are polymers ubiquitously formed by oxidative polymerization of phenolic or indolic compounds that is found in all biological kingdoms. Melanin has been recognized as a pathogenicity factor in several plant fungal pathogens, in which albino mutants have shown deficient or attenuated pathogenicity. However, our preliminary work on B. cinerea resulted in quite different principles. Knock-out mutation of two melanin biosynthetic genes in B. cinerea, the Bcpks13 and Bcbrn1, caused significant increase in pathogenicity of this pathogen on various fruits and vegetable, suggesting an unrevealed regulating mechanism of melanin biosynthesis for fungal pathogenicity. In this project, molecular genetics, cytology, biochemistry, and transcriptome analysis will be used to further investigate the particular roles of melanin synthesis genes (Bcpks13, Bcbrn1, and Bcscd1) in B. cinerea, and its correlation with expression of pathogenic factors and interaction with host plants will also be elucidated. The prospective results of this study aims to lay theoretical foundations for developing new targets of postharvest disease control.

灰霉菌是一种可侵染多种采后水果和蔬菜导致灰霉病害的模式病原真菌，对其致病性和调控机制的研究具有重要的理论和实践意义。黑色素是广泛存在于各种生物体内的多酚类聚合物，已被证明是多种植物病原真菌的一种重要致病因子，缺失黑色素会引起致病力下降或丧失。本项目在前期研究中发现，灰霉菌黑色素合成相关基因Bcpks13和Bcbrn1缺失突变后，对多种果蔬的致病力却极显著地增加，预示着黑色素的功能有待于在植物病原真菌中进行重新解读。本研究在前期工作基础上，拟采用分子遗传学、细胞学、生物化学、以及转录组学等手段，研究灰霉菌黑色素的生物合成代谢途径相关基因（Bcpks13，Bcbrn1，Bcscd1）对灰霉菌致病性的影响，探究它们在灰霉菌与寄主果实互作过程的作用机制，揭示黑色素的合成代谢在坏死营养型病原真菌致病过程中的特殊功能，为研究果蔬采后病害的控制靶点提供新思路。

黑色素是广泛存在于植物、动物和微生物中的多酚类聚合物。在部分植物病原真菌中，黑色素于附着胞中大量积累，能够增强附着胞的机械压力，便于病原菌侵入寄主。大多数植物病原真菌的黑色素合成途径为DHN 途径，其关键酶有：聚酮合酶、还原酶、脱水酶。灰霉菌是子囊菌亚门的典型坏死营养型病原真菌，该菌不依赖附着胞形成机械压力侵染寄主，而是具有非常复杂的致病策略，可侵染1000多种寄主植物，是世界第二大植物病原真菌。灰霉菌能够合成黑色素，但黑色素在该菌中的功能尚不清楚。本项目研究采用分子遗传学方法，对灰霉菌黑色素合成途径的关键酶基因（编码聚酮合酶基因bcpks12/13、还原酶基因bcbrn1/2 和脱水酶基因bcscd1）分别进行了功能研究，从真菌发育与致病性两方面系统比较了各突变株的表型差异，并通过RNAseq 分析对各突变株与野生型表型差异原因进行深入探究，明确了灰霉菌黑色素合成途径及其关键酶编码基因在其生长发育及致病过程中的重要功能；还对灰霉菌黑色素合成中间产物小柱孢酮的功能及转运机制进行了解析，深入揭示真菌DHN 黑色素中间产物的代谢机理与合成酶的亚细胞定位，并详细解析黑色素合成的生物学功能。本项目的研究结果表明：灰霉菌黑色素合成途径关键酶编码基因对其生长发育和致病性的影响呈多样化特征；黑色素生物合成对灰霉菌的发育与致病存在精细的调节作用；黑色素在灰霉菌菌核行使完整生物功能和抵抗逆境胁迫中发挥重要作用；灰霉菌黑色素合成途径中的小柱孢酮对灰霉菌生长发育的抑制作用；灰霉菌依赖内含体系统，将小柱孢酮外排至胞外进行后续合成反应，并推测灰霉菌可能利用此机制来避免中间产物对细胞自身的抑制作用。本研究也提出过氧化物酶体及内含体会参与黑色素合成，为进一步研究灰霉菌其它次级代谢物或相关毒素合成的胞内划分及转运提供了理论基础。综上所述，本研究结果揭示了坏死营养型病原真菌黑色素的合成机制及其功能，也为制定灰霉病害防控措施提供了新思路。