芒果炭疽菌小染色体进化研究

【作者】 王昊明； 黄荣； 任静毅； 唐利华； 黄穗萍； 陈晓霖； 范君； 李彬涛； 王秦虎； Tom Hsiang； 刘慧泉； 李其利；

【机构】 西北农林科技大学植物保护学院； 广西农业科学院植物保护研究所； 广西作物病虫害生物学重点实验室； 西北农林科技大学资源环境学院； 加拿大圭尔夫大学环境科学学院；

【摘要】 炭疽菌属(Colletotrichum)真菌是一类全球性分布的植物病原菌,寄主范围广,能侵染3 200多种植物。芒果是我国的特色水果,炭疽病是芒果的主要病害之一,每年可造成30%～60%的产量损失,严重时甚至绝收。目前报道的引起我国芒果炭疽病的炭疽菌有13种,其中亚洲炭疽菌(C.asinnum)、暹罗炭疽菌(C.siamense)和果生炭疽菌(C.fructicola)是优势种。本研究对16株分离自芒果的炭疽菌(有3个优势种,分别为C.fructicola 3株、C.asianum 2株、C.siamense 2株;其他种C.gloeosporioides、C.tropicale、C.gigasporum、C.cliviae、C.endophytica、C.liaoningense、C.scovillei、C.cordylinicola、C.musae每种各1株)和1株分离自柿子的炭疽菌菌株(C.horii)的PacBio基因组测序数据和3个芒果炭疽菌优势种(C.asiannum,C.fructicola,C.siamennse每种致病力强、弱各1个菌株)的6个菌株的链特异性RNA-seq数据(分生孢子、菌丝营养生长和侵染致病阶段)进行了分析。通过de novo基因组组装,获得了每个菌株包含9～21条scaffolds (平均scaffold N50> 4.39 Mb)的基因组序列,平均每个菌株49%的scaffolds为端到端的全长染色体。其中C.endophytica、C.cordylinicola、C.liaoningense 3个种的基因组组装为世界范围内首次获得。本研究还对测序、组装所得的17个炭疽菌基因组和9个NCBI基因组数据库中的高质量炭疽菌基因组进行了比较基因组学分析,这些基因组分别来自炭疽菌属7个复合群的19个种。研究发现,这些炭疽菌基因组序列全长为50.7～87.2 Mb,重复序列含量为2.65%～43.77%。综合de novo预测、转录组数据和同源蛋白证据,对26个菌株的基因进行了预测,并进行了功能注释。各菌株的基因数量有11 621～18 369个。基因组大小与重复序列含量成正相关,而与基因数量无相关性。基因组最大的C.sp.JS-367菌株含有最多的重复序列(43.77%),其重复序列主要由完整的LTR转座子构成,这些LTR转座子都在C.sp.JS-367与其近缘菌株C.gigasporum HN42-2分化后产生,这导致了二者基因组大小和组成上的巨大差别。此外,胶孢炭疽菌复合群(CGSC,Colletotrichum gloeosporioides species complex)炭疽菌的基因数量明显多于其他炭疽菌,并且拥有更多的致病相关基因(分泌蛋白、碳水化合物活性酶、次生代谢合成基因)。通过基因组共线性分析发现,炭疽菌通常具有10条核心染色体,C.cliviae YN31菌株较为特殊,其两条染色体发生了融合,导致其仅有9条染色体。染色体重排现象在炭疽菌核心染色体间广泛存在,分析发现与LTR转座子的扩增密切相关。炭疽菌优势种的种间基因组比较表明谱系特异(LS,Lineage specific)基因组区约占基因组的14%,这些区域富含重复序列和物种特有基因。进一步对芒果炭疽菌优势种C.asianum种内的28个菌株进行基因组重测序分析发现,C.asianum具有"双速"基因组特征,快速变异基因组区占全基因组的34%,其变异速率是慢速基因组区的2.4倍。快速变异基因组区内同样富含重复序列和致病相关基因。高达90%的谱系特异基因组区与快速变异基因组区重叠,暗示着这些基因组区域在炭疽菌适应性进化中发挥作用。各菌株拥有0～8条不等的小染色体,小染色体在胶孢炭疽菌复合群中普遍存在。小染色体富含重复序列,且在不同种之间、甚至同一种的不同菌株之间具有明显的特异性。分析发现,C.asianum小染色体上的部分基因与核心染色体上快速变异基因组区的基因具有高度的相似性;C.fructicola菌株的小染色体与核心染色体上部分序列相似性较高,这些结果表明,小染色体很可能由核心染色体重组产生。在C.muase中,小染色体上26个成簇存在的基因与根瘤菌目(Rhizobiales)细菌的ATP结合相关基因高度相似,这些基因的同源基因未在其他真菌中发现,表明其极有可能通过水平基因转移从根瘤菌获得。这些分析揭示了小染色体序列和基因的产生。在C.asianum中,强致病力菌株(FJ11-1)与弱致病力菌株(YN55-1)相比,其小染色体上有更多的基因在侵染时期上调表达,其中包含若干具有潜在致病力的基因(8个分泌蛋白和1个次生代谢产物生物合成相关基因),上调表达的基因功能富集结果表明其在蛋白质合成活性和磷酸化中发挥作用,这些功能对于病原菌侵染至关重要。为了验证小染色体上基因是否与致病相关,我们选取了FJ11-1中一个上调表达且在小染色体上特有的基因进行了功能验证,其敲除突变体和野生型相比在芒果叶片和果实上接种均表现出致病力显著减弱。综上所述,本研究通过对26个炭疽菌菌株进行较为系统的比较基因组学、转录组学分析。通过种内、种间的基因组比较明确了炭疽菌染色体组成、结构和进化规律;明确了部分菌株小染色体上基因的来源;鉴定了小染色体上潜在的致病基因并进行了功能验证。这些结果有助于进一步从小染色体角度揭示炭疽菌侵染致病机理、设计并挖掘潜在的药物靶标。更多还原