基于RNA测序探索禾谷镰刀菌非编码RNA的潜在功能

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禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)是小麦赤霉病的主要致病菌,在全世界范围内的小麦种植区均危害严重。目前对赤霉病的防控主要依靠化学农药,但抗药性问题不容忽视。子囊孢子作为小麦赤霉病的初侵染源对病害的发生具有重要作用,因此,深入研究禾谷镰刀菌子囊发育及子囊孢子释放相关的关键调控因子,将有可能为发掘赤霉病的防治措施提供新的思路和理论依据。非编码RNA在动植物的生长发育过程中发挥重要作用。Dicer和Argonaute广泛存在于植物、动物、真菌等多种生物体内,是小分子非编码RNA加工及作用过程中的关键因子。为探究Dicer和Argonaute在禾谷镰刀菌中的生物学功能,本研究采用分割标记法分别获得了Fgdcl和Fgago的单敲除和双敲除突变体。在无性阶段,各突变体在菌丝生长、菌落形态、孢子形态、产孢量、致病性以及对逆境的应答都与野生型PH-1菌株无显著差异。然而在有性阶段,ΔFgdcl1、ΔFgdcl1/2、ΔFgago2以及ΔFgago1/2中正常成熟的子囊均减少。此外,ΔFgdcl1中的子囊孢子释放量减少,ΔFgdcl1/2、ΔFgago2以及ΔFgago1/2中子囊孢子的释放则完全受抑制。因此,相比无性阶段,Fgdcl1和Fgago2在有性阶段具有更重要的生物学意义,并且两个Fgdcl基因存在部分功能冗余。为进一步探究Fgdcl和Fgago影响有性生殖的机制,本研究对ΔFgdcl1、ΔFgdcl2、ΔFgdcl1/2以及ΔFgago2进行了转录组测序分析。通过关联性分析证明,ΔFgdcl1与ΔFgdcl1/2、ΔFgdcl1/2与ΔFgago2有强相关性,并且ΔFgdcl1中上调的基因在ΔFgdcl1/2和ΔFgago2中均上调。通过对差异基因进行功能注释后表明,ΔFgdcl1、ΔFgdcl1/2、ΔFgago2中下调的差异基因影响子囊发育,上调的差异基因通过干扰子囊内外物质的运输影响子囊孢子释放。为探索small RNA在禾谷镰刀菌中的潜在功能,本研究针对禾谷镰刀菌不同发育阶段的mil RNA进行了分析,结果发现有性阶段与无性阶段的mil RNA存在多方面差异,包括数量、基因组位置分布、5’首位碱基的偏好性和剪切合成途径等。有性阶段mil RNAs的靶标预测结果显示,子囊孢子释放相关途径的基因被预测为候选靶标,并且这些候选靶标在ΔFgdcl1/2和ΔFgdcl1中的表达均显著上升。另一方面,在有性发育阶段,具有外显子特异性的ex-si RNAs与mil RNA在序列特征和合成途径上具有相似性。由此推测有性阶段mil RNA和ex-si RNA共同调控有性发育过程。此外,我们筛选了两个在无性阶段表达的mil RNA进行功能研究。然而这两个mil RNA的缺失突变体与野生型PH-1菌株相比,在菌丝生长、产孢、致病、子囊壳产量等方面均没有明显差异。本研究同时对禾谷镰刀菌中产孢相关的长链非编码RNA进行了预测分析,结果表明位于基因上游或下游的lncRNA占多数。本研究选取了在产孢前后表达存在差异的5个lncRNA和9个NATs进行q RT-PCR验证,并对11个lnc R进行了敲除,其中lnc R15174通过负调控临近基因的表达影响分生孢子的产量、子囊发育及子囊孢子的释放;FG05658协同NAT05658影响色素、产孢量、致病力以及有性生殖。本研究为我们进一步深入探讨非编码RNA在禾谷镰刀菌无性繁殖及有性生殖发育过程中的功能及其机理奠定了基础。
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