Regulation of TRI5 expression and deoxynivalenol biosynthesis by a long non-coding RNA in Fusarium graminearum
- 作者
- Panpan Huang, Xiao Yu, Huiquan Liu, Mingyu Ding, Zeyi Wang, Jin-Rong Xu, Cong Jiang
- 单位
- State Key Laboratory of Crop Stress Biology for Arid Areas, Northwest A&F University; Department of Botany and Plant Pathology, Purdue University
- 杂志
- Nature Communications（2024）
- DOI
- 10.1038/s41467-024-45502-w
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析禾谷镰刀菌中TRI6和TRI10对TRI5表达及脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)生物合成的调控机制，特别是长链非编码RNA RNA5P对TRI5表达的顺式抑制作用。
研究策略
利用链特异性RNA-seq分析tri6和tri10突变体，结合基因敲除、启动子替换、原位过表达、异位过表达、定点突变及qRT-PCR和DON产量测定，鉴定并验证RNA5P lncRNA对TRI5表达和DON合成的调控作用。
核心内容
该研究以禾谷镰刀菌为对象，探究长链非编码RNA（lncRNA）RNA5P对脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）生物合成中TRI5基因表达的调控机制。通过链特异性RNA-seq分析tri6和tri10突变体，结合基因敲除、启动子替换、原位及异位过表达、定点突变等实验，鉴定了由TRI5启动子区转录的RNA5P lncRNA。结果显示，tri10突变体中有450个差异表达基因，反义TRI6转录本增加超4倍；tri6突变体中TRI10表达上调超5倍。RNA5P原位过表达使其表达增加近15倍，同时TRI5表达显著降低，DON几乎不可检测；而启动子替换删除RNA5P后，TRI5表达增加2.6倍，DON产量上升。RNA5P不编码功能蛋白，却以顺式作用抑制TRI5表达。该研究首次揭示lncRNA在丝状真菌次生代谢调控中的新角色，表明TRI10为DON合成主调控因子，TRI6与TRI10相互负调控并共同抑制RNA5P表达，为真菌毒素合成调控机制提供了新认知。
创新点
首次发现并鉴定真菌次生代谢中由TRI5启动子区域转录的长链非编码RNA RNA5P，证明其以顺式作用抑制TRI5表达和DON生物合成；揭示TRI10作为主调控因子调控TRI6及反义转录本，TRI6负调控TRI10，两者共同抑制RNA5P表达。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Fusarium graminearum PH-1 | trichothecene biosynthesis (DON) | TRI5 | Tri5 trichodiene synthase | 催化 | 编码trichodiene synthase，催化FPP环化为trichodiene，是DON生物合成第一步关键酶 |
| Fusarium graminearum PH-1 | trichothecene biosynthesis (DON) | TRI6 | Tri6 (Cys3His2 zinc finger transcription factor) | 调控 | 途径特异性转录因子，负调控TRI10，正调控TRI5等TRI基因，抑制反义TRI5和RNA5P表达 |
| Fusarium graminearum PH-1 | trichothecene biosynthesis (DON) | TRI10 | Tri10 (no DNA-binding domain) | 调控 | 主调控因子，调控450个基因，正调控TRI6表达，抑制反义TRI6、反义TRI5和RNA5P表达 |
| Fusarium graminearum PH-1 | trichothecene biosynthesis (DON) | RNA5P | — | 调控 | 长链非编码RNA，转录自TRI5启动子区，顺式抑制TRI5表达和DON生物合成 |
| Fusarium graminearum PH-1 | trichothecene biosynthesis (DON) | antisense-TRI5 | — | 调控 | TRI5反义转录本，受Tri6和Tri10负调控，过表达抑制TRI5表达和DON产量 |
| Fusarium graminearum PH-1 | trichothecene biosynthesis (DON) | antisense-TRI6 | — | 调控 | TRI6反义转录本，主要在5'端410bp区域，受Tri10负调控，可能通过配对降解TRI6 mRNA |
| Fusarium graminearum PH-1 | trichothecene biosynthesis (DON) | TRI11 | Tri11 | 催化 | 参与DON生物合成，其表达受Tri6和Tri10正调控，反义转录受两者抑制 |
| Fusarium graminearum PH-1 | trichothecene biosynthesis (DON) | TRI12 | Tri12 (major facilitator transporter) | 转运 | 编码trichothecene efflux pump，其启动子用于替换TRI5启动子以删除RNA5P |
| Fusarium graminearum PH-1 | mevalonate pathway (FPP biosynthesis) | — | — | 能量供给 | FPP前体通过甲羟戊酸途径合成，并非本研究的直接对象 |
| Fusarium graminearum PH-1 | trichothecene biosynthesis (DON) | TRI4 | Tri4 | 催化 | 在tri6突变体中上调表达，与TRI6共享启动子区 |
关键发现
- tri6突变体中有56个差异表达基因(DEGs)，tri10突变体中有450个DEGs
- tri10突变体中反义TRI6转录本增加超过4倍
- tri6突变体中TRI10表达上调超过5倍
- 反义TRI5异位过表达使TRI5表达和DON产量显著降低，表达量增加超过20倍
- P_TRI12-TRI5启动子替换删除RNA5P使TRI5表达增加2.6倍，DON产量增加
- P_TrpC-RNA5P原位过表达使RNA5P表达增加近15倍，TRI5表达显著降低，DON几乎不可检测
- GTGA到TGAG突变使RNA5P表达显著增加，TRI5表达和DON产量显著降低
- RNA5P不编码功能蛋白，RNASP-3×FLAG western blot无信号
- RNA5P含一个内含子，两个转录本预测编码5S和86个氨基酸的小肽。
研究结论
在禾谷镰刀菌中，TRI10是调控DON生物合成的主调控因子，TRI6和TRI10相互负调控；两者共同抑制TRI5的反义转录及TRI5启动子区的长链非编码RNA RNA5P的表达；RNA5P以顺式作用抑制TRI5表达和DON生物合成，首次揭示了lncRNA在丝状真菌次生代谢调控中的作用。