寫(xiě)在前面
????????這是第一篇系統(tǒng)講述稻瘟病的文獻(xiàn)，包括它的基因組、生活史、侵染變化以及對(duì)應(yīng)植物的防衛(wèi)反應(yīng)，引用量高達(dá)到1030次，基本上發(fā)表和稻瘟病相關(guān)的文章都會(huì)引用這篇文獻(xiàn)，就像做植物免疫的都會(huì)引用zig-zag model一樣。這段時(shí)間的話，會(huì)不定期更新一些稻瘟病中的一些經(jīng)典文獻(xiàn)或最新突破，特別是效應(yīng)蛋白相關(guān)的，希望跟大家一起共同學(xué)習(xí)。
附文獻(xiàn)信息：The genome sequence of the rice blast fungus Magnaporthe grisea

1.基因組的獲取

????????采用鳥(niǎo)槍法測(cè)序獲取稻瘟病菌 70-15的基因組信息，最終得到的基因組大小是38.8Mb。根據(jù)端粒的重復(fù)基序(TTAGGG)n得到染色體末端。

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2.基因組信息

????????在拿到基因草圖后，基因的功能是我們最關(guān)系的。因此注釋基因也就變成了第二個(gè)要?jiǎng)?wù)。預(yù)測(cè)得到11109個(gè)基因，其中10082個(gè)基因在紅面包菌(稻瘟病的近緣種)中發(fā)現(xiàn)，并且紅面包菌中有個(gè)稱為重復(fù)誘導(dǎo)的點(diǎn)突變過(guò)程(repeat-induced point mutation,RIP)。這種現(xiàn)象在減數(shù)分裂的過(guò)程中會(huì)消除重復(fù)基因，因此限制了紅面包菌的旁系基因復(fù)制的能力，因此限制了此基因家族的擴(kuò)張。而在稻瘟病基因組種，與致病性相關(guān)的幾個(gè)基因家族得到了擴(kuò)張。

3.稻瘟病中的GPCR家族

????????G-protein-coupled receptors with seven transmembrane helices(GPCRs)通過(guò)G蛋白的異源三聚體的形式來(lái)傳導(dǎo)環(huán)境信號(hào)來(lái)激活次級(jí)信號(hào)分子，從而調(diào)節(jié)基因表達(dá)。稻瘟病菌基因組中包含約61個(gè)沒(méi)有被報(bào)道的GPCR類的基因，其中的12個(gè)能形成一個(gè)亞家族。這12個(gè)基因在N端包含CFEM結(jié)構(gòu)域(conserved fungal-specific extracellular membrane-spanning domain)，與人GPCR的EGF(epidermal growth factor)模塊相似。其中一個(gè)CFEM-GPCRs的基因，Pth11，參與附著胞的形成和致病性。GPCR類的基因在非子囊菌中，如酵母，玉米黑粉菌中，是完全缺失的。

4.稻瘟病菌中與致病性相關(guān)的信號(hào)途徑

????????稻瘟病菌中有三個(gè)MAPK cascades來(lái)調(diào)節(jié)附著胞的發(fā)育、侵染釘?shù)男纬杉案邼B透壓的改變，其中兩個(gè)MAPK cascades來(lái)控制毒性基因相關(guān)的表達(dá)。核心的是Pmk1 MAPK通路，參與交配和和致病力的形成。
????????cAMP信號(hào)對(duì)于誘導(dǎo)附著胞的形成和膨壓驅(qū)動(dòng)的侵染是必需的，但是目前對(duì)于它的信號(hào)途徑解析還不是很清楚。Pth11 GPCR在cAMP信號(hào)的上游，揭示了CFEM-GPCR家族可能在這個(gè)途徑中發(fā)揮了未知的功能。

5.膨壓驅(qū)動(dòng)的侵染

????????稻瘟病菌的附著胞可以通過(guò)積累高達(dá)3M濃度的甘油，產(chǎn)生巨大的膨壓以突破植物角質(zhì)層。發(fā)芽的孢子具有相當(dāng)多的通用性，能夠從貯藏產(chǎn)物中在附著胞合成甘油。稻瘟病菌在線粒體中β-氧化支鏈脂肪酸，也能利用糖酵解的中間產(chǎn)物來(lái)合成甘油。因此靈活地發(fā)生脂代謝中和從糖酵解中轉(zhuǎn)移中間產(chǎn)物的能力也許對(duì)于稻瘟病在附著胞發(fā)育過(guò)程中進(jìn)行快速的甘油累積是重要的。

5.1稻瘟病菌的生活史

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????????稻瘟病菌的生活史可以分為無(wú)性繁殖和有兩個(gè)過(guò)程 如上圖。無(wú)性生殖過(guò)程中在分孢子梗末端產(chǎn)由三細(xì)胞組成的鴨梨型 無(wú)性生殖過(guò)程中在分孢子梗末端產(chǎn)由三細(xì)胞組成的鴨梨型分生孢子 ，一個(gè)分生梗上可以產(chǎn)多孢子 ，一個(gè)分生梗上可以產(chǎn)多個(gè)分生孢子。此外，有報(bào)道稱稻瘟病菌無(wú)性 。此外，有報(bào)道稱稻瘟病菌無(wú)性 。此外，有報(bào)道稱稻瘟病菌無(wú)性繁殖階段不僅產(chǎn)生鴨梨型大孢子（Macroconidia，MA），還可以產(chǎn)生一種較小的新月形小孢子 （Microconidia，MI），這種分生孢子同樣具有致病力。此外，兩種不同交配型的生理小種相互結(jié)合形成子囊殼進(jìn)行有性生殖。稻瘟病菌主要通過(guò)無(wú)性繁殖階段產(chǎn)生的分孢子侵染水稻， 可以侵染水稻的各時(shí)期，包括葉、莖節(jié)點(diǎn)和花序 。
????????為了能侵染寄主葉片，首先分生孢子通過(guò)水合作用從孢子的頂端產(chǎn)一種黏液，這種黏液可以將孢子錨定在葉片包裹蠟質(zhì)層的疏水表面，隨之孢子萌發(fā)產(chǎn)生芽管 。當(dāng)芽管感知到適合的表面環(huán)境以后，芽管頂端會(huì)分化形成一個(gè)圓屋頂狀的侵染結(jié)構(gòu)，稱為附著胞。附著胞形成了以后，為了侵入寄主細(xì)胞，附著胞會(huì)在細(xì)胞內(nèi)累積甘油，產(chǎn)生龐大的膨壓從而穿透細(xì)胞壁。附著胞的細(xì)胞壁內(nèi)壁上會(huì)堆積形成密集的黑色素層，黑色素的存在會(huì)阻擋甘油從細(xì)胞內(nèi)流出，但是對(duì)于水的進(jìn)出沒(méi)有阻礙，因此可以確保附著胞快速的吸收水分從而產(chǎn)生巨大膨壓高達(dá)8.0MPa。當(dāng)膨壓達(dá)到臨界值以后，細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生重組，形成侵染釘，侵染釘會(huì)穿透寄主細(xì)胞壁，侵入第一個(gè)寄主細(xì)胞內(nèi)。成功侵入以后，染釘分化形成最初的菌絲（Invasive hyphae，IH），在活細(xì)胞內(nèi)繼續(xù)生長(zhǎng)延伸。植物細(xì)胞膜包裹在侵入菌絲周圍，形成被稱為 extra-invasive huphal membrane（EIHM）的結(jié)構(gòu),這是一個(gè)在水稻細(xì)胞膜與侵入菌絲間的類似原生質(zhì)體的封閉結(jié)構(gòu)。
????????隨著最初的侵入菌絲發(fā)育，在其頂端會(huì)形成一個(gè)稱為biotrophic interfacial complex（BIC）的結(jié)構(gòu)。當(dāng)侵入菌絲分化形成球根狀菌絲以后，BIC就處在了球根狀菌絲的位置 。當(dāng)菌絲擴(kuò)展到第二個(gè)細(xì)胞時(shí)，會(huì)在第二個(gè)侵入寄主細(xì)胞的菌絲頂端形成新BIC結(jié)構(gòu)。在侵染過(guò)程中的活體營(yíng)養(yǎng)階段， 稻瘟病菌會(huì)分泌一系列效應(yīng)因子到水稻細(xì)胞內(nèi)，用來(lái)抑制水稻的免疫反應(yīng)，操控寄主細(xì)胞生理機(jī)能，以使菌絲更好增殖擴(kuò)散。效應(yīng)因子不只會(huì)被分泌到已經(jīng)侵染的寄主細(xì)胞內(nèi)，還會(huì)經(jīng)由寄主胞間連絲擴(kuò)散到隔壁細(xì)胞去，為菌絲的擴(kuò)散提前營(yíng)造合適的環(huán)境。截至目前為止，已經(jīng)鑒別到了許多稻瘟病菌效應(yīng)蛋白，雖然其中部分的具體功能尚未明確。但有幾點(diǎn)相同的地方，效應(yīng)蛋白一般都較小，大多數(shù)只有 100~200個(gè)氨基酸，一般不具有明確的結(jié)構(gòu)域，相互之間也不具有相似性。因此預(yù)測(cè)效應(yīng)蛋白在寄主細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮的功能還是具有一定的難度。

6.稻瘟病擁有一個(gè)復(fù)雜的分泌蛋白組

????????稻瘟病中預(yù)測(cè)有739個(gè)分泌蛋白，是紅色面包菌的兩倍還多。有些分泌蛋白預(yù)測(cè)編碼降解植物細(xì)胞壁的和角質(zhì)的酶。例如，稻瘟病菌中的八個(gè)基因編碼角質(zhì)酶-甲基酯酶，來(lái)降解葉角質(zhì)層的角質(zhì)。這些基因中的幾個(gè)在侵染過(guò)程中顯著上調(diào)，

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7.真菌的效應(yīng)蛋白和PAMPs

????????已知植物病原微生物直接分泌蛋白質(zhì)進(jìn)入宿主植物細(xì)胞，擾亂宿主細(xì)胞信號(hào)或抑制植物固有免疫系統(tǒng)。反過(guò)來(lái)，植物適應(yīng)性免疫系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)化到能夠識(shí)別病原體效應(yīng)蛋白
(常被稱為病原體相關(guān)分子模式，PAMPs)。在稻瘟病菌和水稻的互作過(guò)程中，這種免疫取決于gene for gene系統(tǒng)(一個(gè)宿主的抗性基因?qū)?yīng)單個(gè)病原菌的效應(yīng)蛋白)。
????????分析基因組發(fā)現(xiàn)，效應(yīng)蛋白可分為三類，一是假定分泌的；二是富含半胱氨酸的多肽；三是NPP1類(necrosis-inducing peptide of Phytophthora infestans)。
富含半胱氨酸的多肽通常認(rèn)為是PAMPs，在番茄和葉霉病的互作中得到闡明。70-15中包含4個(gè)已知的稻瘟病無(wú)毒基因:AVR-Pita,ACE1,PWL2和PWL3。但是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)稻瘟病菌中PWL1, PWL4 or AVR1-CO39的直系同源基因；與此類似的還有來(lái)自番茄葉霉病的Avr2, Avr4, Avr9, ECP2, ECP3 and ECP5。這突出了目前鑒定的真菌無(wú)毒基因的多樣性和缺乏序列相似性和保守性。

8.稻瘟病菌中的次級(jí)代謝途徑

????????絲狀真菌是眾所周知的次生代謝物的制造者，在自然界中，這些代謝物發(fā)揮各種各樣的功能，可能使生態(tài)位開(kāi)發(fā)成為可能。稻瘟病基因組中有23個(gè)基因編碼聚酮合酶，其中的3個(gè)在侵染過(guò)程中上調(diào)表達(dá)。這23個(gè)聚酮合酶中大多數(shù)在基因簇中出現(xiàn)，并且其臨近的基因被預(yù)測(cè)編碼細(xì)胞色素P450和單加氧酶，這就能夠修飾或定制聚酮主鏈以形成功能次級(jí)代謝物。

9.重復(fù)DNA和重復(fù)誘導(dǎo)的點(diǎn)突變

????????稻瘟菌表現(xiàn)出高度的遺傳變異，如果稻瘟病菌在水稻種植過(guò)程中出現(xiàn)了新的致病變異，那么就能夠侵染以前具有抗性的寄主植物。這種獲得毒性通常與轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的失活和PAMP編碼基因的刪除有關(guān)，PAMP編碼的基因產(chǎn)物通常能夠激活植物的適應(yīng)性免疫。
????????考慮到重復(fù)成分的普遍存在以及它們參與重組的能力，一個(gè)有機(jī)體能夠忍受如此巨大的基因組變化或許令人驚訝。然而，在自然界中，水稻的致病菌株稻瘟菌是無(wú)性繁殖的，因此，基因組的組織很少(如果有的話)受到減數(shù)分裂重組的潛在災(zāi)難性影響，這些減數(shù)分裂重組涉及結(jié)構(gòu)完全不同的同源染色體。因此，在正常情況下減數(shù)分裂產(chǎn)生的重排會(huì)被清除，并且重排似乎在沒(méi)有對(duì)營(yíng)養(yǎng)健康產(chǎn)生有害影響的情況下得以保持。一些重排有望帶來(lái)積極的影響，特別是那些導(dǎo)致基因丟失的重排，這些基因的產(chǎn)物通常會(huì)觸發(fā)潛在宿主的防御反應(yīng)。稻瘟病菌中一些宿主特異的基因通常位于基因組轉(zhuǎn)座子豐富的區(qū)域，重排為基因丟失提供了豐富的機(jī)會(huì)。
參考文獻(xiàn)：
https://www.nature.com/articles/nature03449