توصيفگر ها :
سوختگي خوشه گندم , الگوي بيماري¬زايي , افكتور نكروتروفيك , فاكتور نسخه¬برداري , الگوي بيان , ژنتيك معكوس
چكيده فارسي :
قارچParastagonospora nodorum عامل بيماري سوختگي خوشه گندم (SNB) به عنوان يكي از مهم¬ترين عوامل بيماري¬زاي گندم، در بسياري از مناطق جهان شايع است. اين قارچ به دليل توليد انواع مختلفي از افكتورهاي نكروتروفيك با محصول حاصل از بيان ژن¬هاي حساسيت در گياه (SnnN) برهمكنش نشان مي¬دهند، به عنوان مدلي براي مطالعه نحوه بيماري¬زايي بيمارگرهاي قارچي نكروتروف در نظر گرفته مي¬شود. ايران با توجه به قرارگيري در محل خاستگاه گندم (هلال حاصلخيز)، مي¬تواند به عنوان يكي از مراكز پيدايش اين قارچ در نظر گرفته شود. با اين وجود، اطلاعات چنداني در زمينه برهمكنش¬هاي فنوتيپي و مولكولي قارچ P. nodorum و گندم در ايران در دست نيست. استفاده از روش¬هاي نوآورانه براي محافظت از گندم عليه بيمارگرها مستلزم فهم روابط بيمارگر- ميزبان است. فاكتورهاي نسخه¬برداري (TF) از مهم¬ترين عوامل تنظيم بيان ژن¬ها مي¬باشند. با وجود پيش¬بيني حضور تعداد قابل توجهي از ژن¬هاي TF در ژنوم قارچ P. nodorum، اطلاعات محدودي در زمينه نحوه عملكرد آن¬ها در قارچ P. nodorum در دسترس است. هدف از اين تحقيق، تعيين الگوي بيماري¬زايي جدايه¬هاي قارچ P. nodorum روي طيف وسيعي از ارقام گندم و سنجش فراواني ژن¬هاي افكتور نكروتروفيك SnToxA، SnTox1، SnTox3 و SnTox5 در اين جدايه¬ها و ژن¬هاي حساسيت Tsn1، Snn1 و Snn3 در ژرم¬پلاسم¬هاي گندم و همچنين بررسي الگوي بيان و نحوه عملكرد 10 ژن فاكتور نسخه¬برداري در قارچ P. nodorum بود. بدين منظور، آزمون بيماري¬زايي 32 جدايه¬ مختلف قارچ P. nodorum جمع¬آوري شده از استان¬هاي فارس، كهگيلويه و بويراحمد، خوزستان و گلستان به همراه جدايه مرجع SN15 روي 40 رقم گندم از جمله 19 رقم ايراني تازه معرفي شده، 16 رقم خارجي و پنج رقم افتراقي در قالب آزمايش فاكتوريل در طرح بلوك كامل تصادفي انجام گرفت و سپس ميزان واكنش ارقام به جدايه¬هاي قارچي با استفاده از مقياس كمي درصد آلودگي سطح برگ¬ها ثبت شد. به منظور رديابي ژن¬هاي كدكننده افكتورهاي نكروتروفيك و ژن¬هاي حساسيت، از آغازگرهاي اختصاصي در واكنش Multiplex-PCR استفاده شد. بر اساس نتايج، اختلاف معني¬داري بين جدايه¬هاي قارچ P. nodorum از نظر شدت بيماري¬زايي ديده شد. ارقام گندم بر اساس شدت واكنش به بيماري SNB در شش دسته بسيار مقاوم، مقاوم، نسبتاً مقاوم، نسبتاً حساس، حساس و بسيار حساس طبقه¬بندي شدند. ارتباط معني¬داري بين شدت بيماري و ميزان فراواني ژن¬هاي حساسيت وجود داشت. ارقام داراي هر سه ژن حساسيت Tsn1، Snn1 و Snn3 به لحاظ واكنش به بيماري SNB در دسته¬هاي نسبتاً حساس، حساس و بسيار حساس طبقه¬بندي شدند. ژن حساسيت Tsn1 در % 70 ارقام بسيار حساس رديابي شد و در ارقام مقاوم وجود نداشت. همچنين، مايه¬زني افكتور نكروتروفيك SnToxA به گندم، تنها باعث بروز نكروز در ارقام واجد ژن حساسيت Tsn1 شد. به منظور بررسي الگوي بيان و نحوه عملكرد ژن¬هاي TF، ده ژن TF شامل چهار ژن داراي شباهت با ژن¬هاي TF شناخته شده در ساير قارچ¬ها و شش ژن قرار گرفته در خوشه بيوسنتز متابوليت¬هاي ثانويه در قارچ P.nodorum، انتخاب و الگوي بيان آن¬ها تحت شرايط درون¬آزمايشگاهي و درون¬گياهي به روش qPCR بررسي شد. بيش¬بيان تعدادي از اين ژن¬ها تحت شرايط كمبود عناصر نيتروژن و كربن و همچنين طي مراحل اوليه بيماري¬زايي بيانگر نقش اين ژن¬ها در بيماري¬زايي قارچ بود. به منظور بررسي نحوه عملكرد ژن¬هاي TF، حذف اين ژن¬ها با استفاده از ساخت سازه تخريب ژن به روش همسانه¬سازي چندژني فناوري گيت¬وي و سپس انتقال آن به پروتوپلاست¬هاي قارچ صورت گرفت و از طريق وقوع سازوكار نوتركيبي همولوگ، ژن مقاومت به آنتي¬بيوتيك هيگرومايسين B جايگزين ژن¬هاي TF شد. مقايسه موتانت¬ها و تيپ وحشي بيانگر نقش تعدادي از اين فاكتورهاي نسخه¬برداري در رشد قارچ، اسپورزايي، تحمل تنش اكسيداتيو و بيماري¬زايي در قارچ P. nodorum بود. به طور كلي يافته¬هاي اين تحقيق مي¬تواند در تبيين دقيق¬تر برهمكنش¬هاي فنوتيپي و مولكولي قارچ P. nodorum و ميزبان آن گندم و توسعه روش¬هاي مناسب مديريت بيماري SNB راهگشا باشد.
چكيده انگليسي :
The fungus Parastagonospora nodorum, the causal agent of septoria nodorum blotch (SNB), is responsible for substantial economic losses of wheat worldwide. P. nodorum has emerged as a model organism for studying the pathogenesis of necrotrophic pathogens due to the secretion of multiple proteinaceous necrotrophic effectors (NEs) that induce compatible interactions with hosts possessing corresponding dominant susceptibility (S) genes. Iran is located in the Fertile Crescent considered as a center of origin for P. nodorum, however to date our knowledge on the phenotypic and molecular basis of wheat-P. nodorum interactions in this region remains limited. The understanding of plant-pathogen interaction is essential to develop new disease control strategies. Transcription factors (TFs) are one of the most important regulators of the gene expression. Despite the presence of a high number of TF-encoding genes within the genome of P. nodorum, very little is known about their expression profiles and their functions. This study focused on unraveling the virulence pattern of Iranian isolates of P. nodorum on a diverse panel of wheat genotypes and to analyze the prevalence of NE genes SnToxA, SnTox1, SnTox3, and SnTox5, and the corresponding S genes Tsn1, Snn1, and Snn3 in P. nodorum isolates and wheat genotypes, respectively. Besides, the expression profile and functional analysis of ten candidate TF genes were assessed in this study. To do so, the pathogenicity assay of 32 Iranian isolates of P. nodorum collected from the main wheat growing regions in Iran plus reference isolate SN15 was conducted on 19 popular Iranian cultivars, 16 world wheat genotypes, and a set of five SNB differential lines under a factorial randomized complete block design. Disease severity (DS) was scored based on the percentage of leaf area covered with lesions. A multiplex PCR was developed to detect NE and S genes. Based on the results, there was a significant difference among isolates of P. nodorum in virulence against wheat genotypes. Wheat genotypes were classified into six groups highly resistant, resistant, moderately resistant, moderately susceptible, susceptible, and highly susceptible based on their variable responses to P. nodorum isolates. A correlation between disease severity and presence/absence of S genes was observed in this study. Wheat cultivars possessing all three S genes were categorized as highly susceptible, susceptible, and moderately susceptible. The S gene Tsn1 was present in 70 % of the highly susceptible cultivars and completely absent in all resistant cultivars. Furthermore, infiltration of SnToxA resulted in necrosis response exclusively in wheat genotypes harboring the S gene Tsn1. The expression profiles of ten candidate TF genes in P. nodorum including four of which shared homology with well-known fungal TFs, and the other six genes located in the secondary metabolite biosynthetic gene clusters were investigated using quantitative RT-PCR assay under in vitro and in planta conditions. The results revealed that six candidate TF genes exhibited the highest expression levels in the minimal media lacking both nitrogen and carbon sources as well as during the early stages of infection suggesting that candidate TFs may play an important role in the pathogenicity of P. nodorum. To assess the role of candidate TF genes, the TF gene deletion construct was generated using multisite GatewayTM cloning strategy replacing the TF gene with the hygromycin phosphotransferase (hph) gene as a selection marker. The comparison of mutants and WT showed that the candidate TFs play an important role in the mycelial growth, sporulation, oxidative stress tolerance response, and virulence in P. nodorum. Overall, these findings extend our substantial knowledge of P. nodorum-wheat interactions and their underlying molecular basis in Iran, a country in the Fertile Crescent where both wheat and its pathogens coevolved.