水稻内生真菌稻镰状瓶霉的比较基因组和比较转录组研究

摘要

根据与植物互作方式的不同，真菌可以分为内生真菌、病原真菌和腐生真菌等。其中内生真菌是一类至少生活史的一部分能侵染定殖在健康植物组织中，且不会引起寄主产生明显病症的一类真菌。很多研究表明内生真菌和病原真菌具有很近的亲缘关系，但目前对于内生真菌和病原真菌之间的进化关系并没有一个明确的结论。因此，了解内生真菌和病原真菌的进化关系，对于进一步认识真菌的生活方式以及真菌与植物的互作具有重要意义。此外，内生真菌能够促进植物营养生长、提高寄主植物抗生物和非生物胁迫的能力，其农业应用潜力逐渐被人们认识。阐明内生真菌的起源与演化方式，将会为内生真菌生产应用的安全性提供理论支持。 从野生稻根部分离的暗色有隔内生真菌稻镰状瓶霉（Harpophora oryzae）属巨座壳科（Magnaporthaceae）。同科的近缘物种多数是病原真菌，如引起麦类全蚀病的小麦全蚀病菌（Gaeumannomyces graminis）、引起草地早熟禾夏季斑枯病的夏季斑枯病菌（Magnaporthiopsis poae）以及引起水稻稻瘟病的稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）等。与上述病原真菌不同，稻镰状瓶霉侵染定殖于水稻根部，可以显著的促进水稻生长并提高水稻对稻瘟病菌的抗性。本研究通过祖先性状重建、比较基因组和比较转录组分析，并结合GC-MS技术揭示了内生真菌稻镰状瓶霉和近缘病原真菌的进化关系，主要结果如下: 1)内生真菌稻镰状瓶霉与近缘病原真菌拥有共同的致病性真菌祖先 系统发育分析表明，稻镰状瓶霉和近缘病原真菌，包括稻瘟病菌、小麦全蚀病菌、夏季斑枯病菌构成一个单系类群，拥有相同的最近祖先。通过祖先性状重建分析发现，稻镰状瓶霉及其近缘病原真菌的最近共同祖先是致病性真菌。 2)基因组成和表达调控的改变导致稻镰状瓶霉演化为内生真菌 同近缘病原真菌相比，稻镰状瓶霉基因组发生了大规模的基因家族扩张，这些基因家族涉及植物抗性反应、自身营养代谢、信号转导和物质转运等。基于转录组的分析表明，这些基因在表达调控上也产生了显著差异。这些基因组成和表达调控的改变导致了稻镰状瓶霉和近缘病原真菌性状的分化，具体表现在以下几个方面:首先，附着胞介导侵染必需基因的丢失，导致稻镰状瓶霉丧失了叶部侵染能力;其次，通过抑制致病相关基因的表达、编码更多的效应子（包括富含半胱氨酸的小分子分泌蛋白以及含有LysM结构域的分泌性蛋白），降低自身的致病能力，同时抑制植物的防御反应;第三，通过调控植物激素相关基因的表达从而促进寄主植物的生长;第四，通过改变G蛋白和G蛋白偶联受体的组成和调控方式，改变对寄主信息的接收和传导;第五，通过抑制细胞壁降解酶的表达，避免对寄主植物细胞壁的过多破坏，从而转变为活体营养方式。 3)影响稻镰状瓶霉基因组演化的因素 稻镰状瓶霉基因组编码大量的转座因子，这些转座因子的分布与其物种特异性基因和旁系同源基因的分布密切相关，是影响基因组中特异性基因的丢失或获得以及基因复制和基因家族扩张的主要因素。为了避免转座因子过度扩张对基因组造成危害，稻镰状瓶霉基因组还编码大量的CENP-B蛋白用于监控转座因子的转座活性。此外，系统发育分析表明，稻镰状瓶霉和近缘种的分化时间与其寄主的分化时间一致;GC-MS结合转录组分析表明寄主植物可以通过不同的葡萄糖分配来调控不同真菌的细胞壁降解酶基因的表达方式。这些结果说明寄主植物对稻镰状瓶霉及其近缘种的分化有重要的作用。HAOR13605编码定位于细胞周质间的磷结合蛋白，是稻镰状瓶霉基因组通过基因水平转移从细菌中获得，说明基因水平转移对稻镰状瓶霉基因组的演化也产生了一定的影响。 4)稻镰状瓶霉作为生防菌的安全性评估 基于包括稻镰状瓶霉在内的17个真菌基因组的比较分析并没有发现共生真菌特有的基因家族，说明共生是多基因控制的系统性性状，并非由个别基因控制。此外，系统发育分析表明由致病性真菌祖先演化为内生真菌稻镰状瓶霉需要相当长的地质时间（约15-67mya）。在演化为内生真菌的过程中，稻镰状瓶霉不仅丢失了部分与致病性相关的基因，而且同寄主的互作方式与近缘的病原真菌已经发生了明显的不同。因此，在有限的地质时期内，稻镰状瓶霉在自然条件下重新演化为致病真菌的可能性很小。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 文献综述

1．1 内生真菌

1．1．1 内生真菌的界定

1．1．2 内生真菌与致病真菌的起源与演化

1．2 真菌与植物内生或共生关系的建立过程

1．2．1 植物与有益真菌的相互识别

1．2．2 有益真菌对植物免疫反应的调节

1．2．3 植物的局部和整体防御反应控制内生或共生关系的发展程度

1．3 真菌全基因组测序

1．3．1 真菌全基因组测序研究概况

1．3．2 共生真菌基因组研究

1．3．3 基因组测序技术

1．3．4 高通量测序数据分析概述

1．4 暗色有隔内生真菌与稻镰状瓶霉

1．4．1 暗色有隔内生真菌概况

1．4．2 镰状瓶霉属真菌研究进展

1．5 本研究的目的和意义

第二章 稻镰状瓶霉侵染行为和祖先性状分析

2．1 材料与方法

2．1．1 实验菌株

2．1．2 供试植物

2．1．3 培养基

2．1．4 试验方法

2．2 结果与分析

2．2．1 稻镰状瓶霉与稻瘟病菌的侵染行为

2．2．2 祖先性状重建分析

2．3 本章讨论

第三章 稻镰状瓶霉与稻瘟病菌比较基因组分析

3．1 材料与方法

3．1．1 实验菌株

3．1．2 供试植物

3．1．3 培养基

3．1．4 试验方法

3．2 结果与分析

3．2．1 稻镰状瓶霉基因组大小的测定

3．2．2 稻镰状瓶霉基因组测序、拼接及主要特征

3．2．3 转座因子

3．2．4 比较基因组分析

3．2．5 共线性和系统发育分析

3．3 本章讨论

第四章 稻镰状瓶霉与稻瘟病菌比较转录组分析

4．1 材料与方法

4．1．1 实验菌株

4．1．2 供试植物

4．1．3 培养基

4．1．4 试验方法

4．2 结果与分析

4．2．1 总RNA提取及测序文库构建

4．2．2 测序数据统计

4．2．3 差异表达基因

4．2．4 稻镰状瓶霉和稻瘟病菌转录组比较

4．2．5 转录组数据的验证

4．3 本章讨论

第五章 基因家族分析

5．1 材料与方法

5．1．1 实验菌株

5．1．2 供试植物

5．1．3 培养基

5．1．4 仪器和试剂

5．1．5 试验方法

5．2 结果与分析

5．2．1 致病相关基因

5．2．2 G蛋白和G蛋白偶联受体

5．2．3 碳水化合物活性酶

5．2．4 分泌蛋白

5．2．5 次生代谢相关基因

5．2．6 膜转运蛋白

5．2．7 转录因子

5．2．8 基因水平转移

5．3 本章讨论

第六章 讨论

6．1 稻镰状瓶霉演化模型的提出

6．2 稻镰状瓶霉与近缘物种基因及其表达的保守性

6．3 稻镰状瓶霉与近缘物种基因及其表达的差异

6．4 影响稻镰状瓶霉基因组进化的因素

6．5 稻镰状瓶霉应用安全性评估

6．6 一种真菌演化模式的提出

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录

致谢