New Phytologist | 马普所Regine Kahmann团队揭示玉米黑粉菌核状态和诱导肿瘤形成机制！

活体营养真菌Ustilago maydis是造成玉米黑穗病的原因（PNAS | 最新研究揭示玉米黑穗病菌附着胞侵染与增殖之间的调控开关！Plant Journal | 德国科隆大学揭示玉米-黑粉菌互作中真菌效应蛋白的玉米品系特异性！）。该病的显著特征之一是诱导植物肿瘤，这些肿瘤在感染周期的末期充满了大量的二倍体孢子。该病是由单倍体核融合引发的，而单倍体的a和b交配类型不同，这一事件发生在叶面。a位点通过其编码的信息素和受体控制细胞融合步骤，而b位点编码一对本源蛋白(bE和bW)，当来自不同等位基因的bE和bW蛋白二聚时，它们作为活性转录因子发挥作用，这一事件发生在双核子中。二倍体生物体能够分化出一个感染结构，感染性菌丝从该结构中穿透叶面，以完全被宿主质膜包裹的丝状物进入表皮细胞。二倍体生物菌丝迅速穿越表皮层和中叶组织，真菌生物量仅有少量增加，并在靠近叶脉和叶脉内积累和增殖。感染后4-5天左右叶束鞘细胞开始恢复细胞分裂，周围中叶细胞增大，最终形成肿瘤。在感染后第5、6天左右的肿瘤组织中，二倍体的核进行核融合，随后是大量增殖和形成聚集的步骤，细胞嵌入粘液基质中。这些菌丝随后膨胀、破碎并发育成二倍体孢子，这些二倍体孢子由深色的孢子衣装饰，并在肿瘤干涸和破裂时释放出来。

U. maydis可以诱导植物所有地面以上部分的肿瘤形成。只要至少两个位点是杂合的，也可以通过二倍体U. maydis菌株诱发疾病。另外，已经设计了致病的单倍体菌株，因为它们显示自分泌信息素刺激并表达活性的bE-bW异二聚体。这种不需要交配就有感染能力的菌株被称为solopathogenic。大多数其他黑穗病菌的生命周期与U. maydis的生命周期非常相似，并且在所有情况下都与性发育和寄主定殖有关。

近日，权威学术期刊New Phytologist发表了德国马克斯普朗克陆地微生物研究所Regine Kahmann教授（近5年30篇高水平文章！双料院士Regine Kahmann课题组阐明玉米黑粉菌致病机理！）团队的最新研究成果，题为Nuclear status and leaf tumor formation in the Ustilago maydis – maize pathosystem的研究论文。

（1）Ustilago maydis是一种活体营养真菌，会引起玉米黑穗病。感染形式是双核菌丝。本研究分析了缺少nlt1转录因子的突变体，并研究了为什么这些突变体无法诱导叶片肿瘤。

（2）该研究涉及反向遗传学、互补、上位性分析、显微镜、qRT-PCR和毒力测定法进行的基因表达分析。

（3）结果显示nlt1突变体可以有效地定殖在玉米叶片上，但不能发生核融合，并在后期增殖中减弱。Nlt1激活ros1的转录，ros1是控制核型的转录因子，并抑制see1（之前已证明可促进叶肿瘤诱导的效应因子）。在单核致病菌株中，nlt1突变体导致叶片肿瘤形成减弱。在活跃分裂的玉米组织中，nlt1突变体经历核分裂并诱导肿瘤形成。Sporisorium reilianum是一种不能诱导叶片肿瘤的黑穗病菌，拥有nlt1的直系同源基因，该直系同源物在玉米定的感染后期控制着双核的融合。

（4）本研究的结果在nlt1、ros1和see1之间建立了调节联系，并暗示存在两个导致叶片肿瘤形成的阶段，一个阶段在核融合之前并涉及nlt1，而一个是核分裂后，独立于nlt1。

图1. nlt1突变体可以有效地在植物上定殖，但在大规模后期增殖中会减弱

图2. nlt1个突变体在叶片中的叶肉细胞增大之前被阻断

图3. nlt1突变体能够诱导茎、流苏和穗轴上的肿瘤和孢子

图4. nlt1突变体无法在叶片中进行核融合，但在茎肿瘤中会经历核融合

图5. Sporisorium reilianum nlt1的毒力贡献

图6. Sporisorium reilianum仅在受感染的花朵中才经历核融合发育

图7. 核融合是双核菌株中叶片肿瘤形成所必需的

图8. nlt1、ros1和see1在Ustilago maydis野生型、nlt1和ros1突变体中的表达

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