中国热科院在橡胶树重要病原生物基因组学及其致害机理领域连续取得重要进展
作者：李博勋
来源：环境与植物保护研究所
日期：2023-05-18
炭疽菌和多主棒孢病菌是橡胶树重要的非专性寄生病原真菌。其中，由炭疽菌引起炭疽病是我国橡胶树常发“两病”之一，可危害嫩叶和老叶，导致叶片脱落和推迟割胶，严重影响干胶产量；而多主棒孢病菌引起的棒孢霉落叶病是仅次于南美叶疫病危害世界天然橡胶产业的第二大病害，广泛发生于东南亚、西非和拉丁美洲等植胶国。我国于2006年首次发现棒孢霉落叶病，目前该病已在海南、云南、广东等地的橡胶苗圃及部分开割树发生为害，潜在危害巨大。近期，中国热科院环植所在橡胶树炭疽菌和多主棒孢菌基因组学及其致害机理领域连续取得重要进展。
一、通过比较全基因组分析明确了橡胶树上两种炭疽病菌生活方式差异的分子基础
针对橡胶树上两种引起不同症状的炭疽病菌致病机理不清问题，通过第三代单分子全基因组测序，获得了国内橡胶树尖孢复合种主要菌株Colletotrichum australisinense及胶孢复合种主要菌株Colletotrichum siamense的高质量参考基因组数据；并通过比较基因组分析发现，橡胶树胶孢炭疽菌比尖孢炭疽菌含有更多的CAZymes、CYP450以及次生代谢产物合成相关基因，其具有合成更加丰富次生代谢产物的基因组基础；而尖孢炭疽菌基因组中坏死和乙烯诱导蛋白（NLP）基因家族发生谱系特异性扩张，从基因组水平解析了不同类型炭疽病致病症状显著不同的分子基础。该工作以“Pathogenic Adaptations Revealed by Comparative Genome Analyses of Two Colletotrichum spp., the Causal Agent of Anthracnose in Rubber Tree”为题发表在Frontiers in Microbiology上，环植所为第一单位，刘先宝副研究员为第一作者，黄贵修研究员为通讯作者。该研究获得国家自然科学基金项目（31571966）和农业农村部农业科学杰出人才项目（0316001）支持。
图1. 引起不同症状橡胶树胶孢和尖孢炭疽CAZymes、次生代谢产物合成基因及NLPs编码基因的比较分析
二、发现炭疽菌NLPs蛋白是橡胶树尖孢炭疽重要致病因子
在明确橡胶树尖孢炭疽主要种Colletotrichum australisinense的NLPs蛋白基因家族谱系特异性扩张基础上，进一步鉴定C. australisinense的不同类型NLPs蛋白对橡胶树细胞的致死活性，发现CaNLP5、CaNLP9 CaNLP10和 CaNLP11可有效导致橡胶叶片的萎蔫坏死，不同类型NLP编码基因在病原菌侵染过程中具有不同的表达谱，表明其参与了C. australisinense在橡胶叶片的致病过程，是重要的致病因子。该工作以“Characterization and necrosis-inducing activity of necrosis- and ethylene-inducing peptide 1-like proteins from Colletotrichum australisinense, the causative agent of rubber tree anthracnose”为题发表在Frontiers in Microbiology上，环植所为第一单位，刘先宝副研究员为第一作者，黄贵修研究员为通讯作者。该研究获得海南省自然科学基金项目（321RC621）支持。
图2. C. australisinense中NLPs蛋白聚类分析及致死作用分析
三、分析明确了国内橡胶树尖孢炭疽种群结构
针对橡胶树尖孢复合种的种群结构及进化和致害机制不清等问题，对26个来自于海南、云南和广东的尖孢炭疽菌株进行了全基因组重测序，结合多位点序列分型，明确了我国橡胶树尖孢炭疽的种群结构，发现不同种群间有基因组重组，并且基因组重组影响了种群的形态和致病性等表型性状。这些为揭示橡胶树炭疽病的致害机制和新型防治方法及药剂的研制开发提供了基础。该工作以“Whole genome resequencing reveal patterns of genetic variation within Colletotrichum acutatum species complex from rubber trees in China”为题发表在Fungal Genetics and Biology上，环植所为第一单位，刘先宝副研究员为第一作者，黄贵修研究员为通讯作者。该研究由国家重点研发项目（2019YFD1000500）资助。
图3. 中国橡胶树尖孢炭疽复合种种群结构及基因组重组
四、获得橡胶多主棒孢高质量参考基因组数据
多主棒孢Cas2/Cas5类群是我国橡胶树主要的致病种群，但一直缺乏高质量的参考基因组数据，环植所科技人员利用第三代单分子全基因组测序，首次获得了国内橡胶树多主棒孢病菌高质量全基因组序列；并通过比较基因组学，从外泌降解酶、次生代谢产物合成相关基因等方面，分析了多主棒孢Cas2和Cas5，及Cas1类群菌株之间的差异。研究发现了不同类型多主棒孢类群菌株在外泌植物细胞壁降解酶间存在明显差异，次生代谢产物合成相关基因，尤其是非核糖体多肽/聚酮类物质合成相关基因簇间差异最为显著。该结果表明，除已公认的Cassiicolin毒素外，橡胶多主棒孢病菌可能含有其它致病因子，如细胞壁降解酶和次生代谢产物等。该工作以“Genomic Characteristics and Comparative Genomics Analysis of Two Chinese Corynespora cassiicola Strains Causing Corynespora Leaf Fall (CLF) Disease”为题发表在Journal of Fungi上，环植所为第一单位，李博勋博士及杨扬副研究员为共同第一作者，黄贵修研究员为通讯作者。该研究由国家重点研发项目（2019YFD1000500）和中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（1630042020014）支持。
图4 多主棒孢病菌不同分泌蛋白与真菌致病性相关基因的重叠维恩图
图5 Cas5型、Cas2型和Cas1型多主棒孢的PKSs和PKS/NRPSs进行系统发育和结构域分析
图6 Cas5型、Cas2型和Cas1型多主棒孢基因组中PKS/NRPS基因簇的共线性分析
目前，环植所热带经济作物病害课题组已经在橡胶树叶部病害真菌基因组学及其致害机理领域取得突破。该课题组将进一步聚焦橡胶树叶部病害疫情遥感监测、病菌致病相关基因及毒素分子功能解析，以及橡胶树抗病种质鉴选与创制利用研究，为我国天然橡胶产业的生产安全及健康发展提供更坚实的保障。
文章链接如下：
1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8235470/pdf/jof-07-00485.pdf
2. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7385191/pdf/fmicb-11-01484.pdf
3. https://authors.elsevier.com/c/1h4vw3tCdVJ7e4
4. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2022.969479/full
