作物病原真菌功能基因组学团队发现调控小麦赤霉菌DON毒素合成的LncRNA

近日，我室病原真菌功能基因组学团队在《Nature Communications》上在线发表了题为“Regulation of TRI5 expression and deoxynivalenol biosynthesis by a long non-coding RNA in Fusariumgraminearum”的研究论文。该研究发现了多个长链非编码RNA（LncRNA），并对其作用方式进行了深入解析。其中RNA5P在Tri6控制下负责调控TRI5基因（编码合成DON毒素的关键酶）的表达。相比转录因子的直接调控，该调控方式能起到“双保险”效果，在有效避免DON毒素合成基因无效激活的同时，保证DON毒素在必要时期的大量合成。这是LncRNA调控次生代谢在丝状真菌中的率先报道，拓展了对LncRNA作用途径的认知，也为破解DON毒素合成机制及研发DON毒素干扰技术提供了新思路。

小麦赤霉病是威胁我国粮食生产和食品安全的重大真菌病害。由于抗病品种缺乏、菌源增多等因素影响，小麦赤霉病呈高发态势。禾谷镰孢是小麦赤霉病的主要致病菌，其侵染时期受环境和植物因子诱导，大量合成脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）等真菌毒素，协助病菌致病，危害人畜健康。禾谷镰孢DON毒素合成由TRI基因所编码的酶有序催化完成，其中大部分TRI基因都分布于一个基因簇中。对该基因簇的深入认识是揭示DON毒素调控机制的关键。

本研究中，通过链特异性RNA-seq鉴定到TRI基因簇中有3个TRI基因都存在反义RNA，分别为TRI5，TRI6以及TRI11。这表明TRI基因簇中的调控比传统认知的更为复杂。进一步对反义RNA的形成及功能进行探究，发现TRI6和TRI5的反义RNA均作用于其正义转录本的作用以抑制DON毒素的合成。此外，有意思的是，在TRI5上游区域存在一个转录本，该转录本在野生型菌株中呈低水平表达，但是在tri6突变体中显著增多。通过构建移码突变菌株和检测融合蛋白，排除了该转录本编码小蛋白的可能，推测其为LncRNA，并命名为RNA5P。通过启动子替换和异位插入，确认RNA5P的功能高度依赖于其在基因组中的位置。原位过表达RNA5P，对TRI5转录及DON毒素合成有强烈的抑制效果。对RNA5P的启动子进行分析，鉴定到一个潜在的Tri6结合位点，该位点的突变引起了RNA5P的异常表达，并由此导致TRI5转录水平的变化以及毒素合成的紊乱。这揭示了一种Tri6通过控制LncRNA表达以调控基因表达及毒素合成的新模式。RNA5P作为丝状真菌中率先鉴定到的负责次生代谢调控的LncRNA，其作为Tri6调控TRI5表达的桥梁，对精准控制DON毒素生物合成的启动，具有重要意义。

植物保护学院博士研究生黄盼盼为第一作者。我室江聪教授和美国普度大学Jin-Rong Xu教授为论文共同通讯作者。病原真菌功能基因组学团队刘慧泉教授也参与了该研究。该研究工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。作物抗逆与高效生产全国重点实验室实验平台为研究工作完成提供了技术支持。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45502-w