芳香醇/IAA在甘蔗鞭黑粉菌双核侵染菌丝形成过程的功能、合成途径与转录调控研究

Sugarcane smut caused by Sporusorium scitamenium is a major fungal disease in China and worldwide, therefore it is of great economic and scientific interests to investigate S. scitamenium pathogenicity and regulatory network. After sexual mating between two opposite mating type (MAT-1 and MAT-2), dikaryotic hyphae of S. scitamenium grow in sugarcane and differentiates to teliospores, and eventually cause the smut disease. Dikaryotic hyphae growth, or named filamentous growth, is a critical step of S. scitamenium infection but its underlying mechanism or genetic regulation is unknown. We recent identified conserved genes encoding critical enzymes in aromatic alcohol biosynthesis, and our preliminary results showed that aromatic alcohol(s) may be essential for proper filamentous growth in S. scitamenium. In this study, we would like to further investigate the function of aromatic alcohol(s) in regulating S. scitamenium pathogenicity and is attempted to elucidate its transcription-regulatory elements.

甘蔗鞭黑粉菌引起的甘蔗黑穗病经常造成甘蔗产量和含糖量的大幅降低，是一种世界性甘蔗重要病害，但目前缺少防控该病的高效措施。双核侵染菌丝的形成和生长是甘蔗鞭黑粉菌发育与致病过程中的关键步骤，但调控该过程的信号分子及其信号传导通路尚未明确。揭示这一关键致病机制将有助于建立甘蔗黑穗病的有效防控技术或途径。课题组前期在甘蔗鞭黑粉菌中鉴定到芳香醇合成途径的关键基因ARO8/ARO9及其可能的转录调控因子，研究初步表明芳香醇合成途径为双核侵染菌丝生长所必需。基于此，本研究拟通过遗传与生化实验鉴定双核侵染菌丝生长所需的芳香醇信号分子，并阐明其对甘蔗鞭黑粉菌生理生化及致病的调控机制，项目完成之后可望为发展新的防控技术或创制新的防控药剂提供理论依据。

甘蔗鞭黑粉菌引起的甘蔗黑穗病是世界性的甘蔗重要病害，但目前对这一病害的致病分子机制研究有限、绿色高效病害防控措施亟待开发。本项目从甘蔗鞭黑粉菌发育与致病过程中的关键步骤--双核侵染菌丝的形成和生长入手，旨在解析调控该过程的信号分子及其信号传导通路。我们发现色醇为双核侵染菌丝生长所必需，而另外2种芳香醇：酪醇与本乙醇，则对双核菌丝生长的作用不明显。我们发现在担孢子进行酵母状分裂生殖阶段，色醇浓度随担孢子细胞密度增加而增长，转录组分析表明，调控双核菌丝生长的AGC激酶信号转导通路响应色醇浓度的增加而被诱导表达，因此我们认为甘蔗鞭黑粉菌利用群体感应信号-色醇-通过AGC激酶介导的信号传导通路调控双核菌丝生长。我们进而鉴定到色醇合成途径的关键基因ARO8，通过代谢组分析确认了ARO8编码的色氨酸氨基转移酶催化色醇合成的第一步。ARO8基因缺失导致甘蔗鞭黑粉菌双核菌丝生长明显缺陷，因此可作为甘蔗黑穗病防控的潜在分子靶标，用于病害防控菌/剂的研发。上述研究成果已发表SCI论文1篇，还有1篇正在撰写中，计划2022年投稿并争取发表。.在研究甘蔗鞭黑粉菌致病分子机制的过程中，我们也筛选对甘蔗鞭黑粉菌菌丝生长具有拮抗效果的甘蔗内生细菌，以期获得绿色高效的病害防控新材料。我们鉴定到一株伯克氏菌，在盆栽和田间试验条件下均能有效抑制甘蔗黑穗病的发生；对这株甘蔗内生伯克氏菌全基因组进行测序分析，初步推断其防控黑穗病的有效成分为毒黄素、且其合成途径受自身群体感应系统调控。作为甘蔗内生细菌，其对甘蔗无明显负面作用；初步评估对环境与动物安全。上述结果已发表1篇SCI论文，获得1项发明专利授权。我们也构建了一株表达植物抗病激素茉莉酸甲酯（MeJA）的大肠杆菌，盆栽条件下对甘蔗鞭黑穗病有明显抑制作用，获得1项发明专利授权。.综上，我们的研究对甘蔗病害防控新策略研发具有重要理论与应用价值。