對鐮刀菌枯萎病復合體弱致病成員作用的新見解

植物病害通常是由一組病原體相互競爭以在感染生態位中站穩腳跟引起的。然而之前的研究通常僅限于其宿主上的單一病原體。在歐洲小麥赤霉病 (FHB) 是由多種鐮刀菌屬物種引起的，包括禾谷鐮刀菌和梨孢鐮刀菌。本文結合接種的時間序列，通過多光譜成像、轉錄和真菌毒素分析進行監測，以研究物種和小麥之間的時間相互作用。結果表明，與禾谷鐮刀菌單次接種相比，禾谷鐮刀菌和梨孢鐮刀菌的共接種抑制了癥狀的發展，但沒有改變真菌毒素的積累。相比之下，梨孢鐮刀菌的預接種減少了 FHB 癥狀和霉菌毒素與單一禾谷鐮刀菌感染相比的水平。有趣的是，梨孢鐮刀菌在雙重感染中表現出增加的增長，表明這種弱病原體利用了它與禾谷鐮刀菌的共存。定量逆轉錄 PCR 顯示梨孢鐮刀菌誘導小麥中的LOX和ICS基因表達。我們假設梨孢鐮刀菌對水楊酸和茉莉酸相關防御的早期誘導阻礙了隨后的禾谷鐮刀菌感染。這項研究首次報道了植物的防御機制，涉及兩種疾病復合體與其宿主之間的三方相互作用。

圖1.田間樣品中同一小穗上單獨存在或與其他鐮刀菌種組合存在的梨孢鐮刀菌

通過分析散布在比利時佛蘭德斯七個地點17 年的調查數據，本文評估了梨孢鐮刀菌和禾谷鐮刀菌的共存情況�？偣苍u估了 7000 多個小麥穗和 40 多個栽培品種是否存在 FHB 成員。該分析表明只存在梨孢鐮刀菌癥狀的僅有30.0%的案例，梨孢鐮刀菌伴有禾谷鐮刀菌的案例占比31.2%，伴有禾谷鐮刀菌、黃色鐮刀菌的梨孢鐮刀菌案例占比15.4%(圖1a,b)。

這項多年的多地點分析表明，在田間條件下禾谷鐮刀菌、黃色鐮刀菌的梨孢鐮刀菌的顯著共存。由于燕麥鐮刀菌的發生率較低，沒有進一步關注與該物種的相互作用。

圖2. 梨孢鐮刀菌2,516在離體葉片試驗中對禾谷鐮刀菌PH-1感染的影響

梨孢鐮刀菌預接種的FV/FM值顯著高于單一禾谷鐮刀菌接種（圖 2a、b）。此外，缺乏癥狀與校正的(c) GFP信號降低一致，反映了禾谷鐮刀菌的存在減少（圖 2a、c）和禾谷鐮刀菌生物量的顯著減少（圖 2d）。最后，由于禾本科鐮刀菌感染期間產生的紅鐮孢菌素導致的典型微紅色在分離的葉子中預接種梨孢鐮刀菌時也消失了。在同時接種禾谷鐮刀菌和梨孢鐮刀菌的雙重接種中，與單一禾谷鐮刀菌感染相比，癥狀明顯較輕。這些結果通過評估由cGFP信號可視化的禾谷鐮刀菌的存在和活性以及通過定量逆轉錄PCR (RT-qPCR) 評估的生物量得到證實。與禾谷鐮刀菌的單一感染相比，這兩個參數在第3天分別顯示出顯著和輕微降低（圖 2c、d）。

圖3.在離體葉片試驗中，禾谷鐮刀菌PH-1 接種對梨孢鐮刀菌2,516 感染的影響

為了了解禾谷鐮刀菌PH-1對梨孢鐮刀菌2,516存在的影響，我們使用了帶有GFP標記的梨孢鐮刀菌2,516分離株與野生型禾谷鐮刀菌PH-1并評估了后者的影響。通過用無菌手術刀在0.1、1和2厘米的長度上刮擦表皮層而在機械損傷的葉子上接種了帶有 GFP 標記的梨孢鐮刀菌，以檢查梨孢鐮刀菌是否受益于禾谷鐮刀菌感染引起的葉片損傷。梨孢鐮刀菌在較大的傷口中顯示出明顯更大的生長。

圖4.梨孢鐮刀菌2,516 接種對小麥穗上禾谷鐮刀菌PH-1感染的影響

為了驗證在小麥穗（FHB 病原體的主要生態位）中的觀察，本文評估了梨孢鐮刀菌的預接種是否也減少了穗上禾谷鐮刀菌的感染。因此在用梨孢鐮刀菌接種相同的小穗前 1 或 2 天接種了禾谷鐮刀菌分生孢子懸浮液。感染7天后，在禾谷鐮刀菌前 1或2天用梨孢鐮刀菌預接種小穗導致FHB癥狀減少的趨勢沒有統計學意義，如通過紅-綠-藍(RGB)圖像測量，較高的FV/FM值（圖4a、b和S9）、低評分癥狀的百分比（圖4d）、禾谷鐮刀菌的cGFP信號降低（圖4a、c和S9）以及禾谷鐮刀菌的減少，通過RT-qPCR 獲得的生物量（圖4e和S9）與禾谷鐮刀菌的單一接種或禾谷鐮刀菌和梨孢鐮刀菌的共接種相比，證實了從離體葉測定中的發現。

圖5.梨孢鐮刀菌2,516對禾谷鐮刀菌PH-1產生的真菌毒素的影響

本文分析了禾谷鐮刀菌中TRI5基因的轉錄本，這是DON生物合成中的一個關鍵基因。在小麥葉測定和小麥穗測定中，在接種梨孢鐮刀菌前1或2天預接種禾谷鐮刀菌導致與早期感染時間點的單一禾谷鐮刀菌接種相比顯著降低的TRI5基因表達水平（第 1天和第2天；圖5a、c）。在較晚的時間點（葉子測定的第3天，穗測定的第4天和第7天），處理之間TRI5基因相對表達的差異不太明顯，除了在接種梨孢鐮刀菌前2天接種梨孢鐮刀菌的相互作用禾谷鐮刀菌和在葉片測定中同時接種這兩個物種的相互作用。對于禾本科TRI5基因的表達，禾本科的生物量非常低，TRI5的表達低于檢測水平。