イネいもち病菌Magnaporthe oryzaeにおけるノンコーディング領域と分泌タンパク質に対する遺伝的変異のバイアス

Genetic Variation Bias toward Noncoding Regions and Secreted Proteins in the Rice Blast Fungus Magnaporthe oryzae.

• Zhenhui Zhong
• Meilian Chen
• Lianyu Lin
• Ruiqi Chen
• Dan Liu
• Justice Norvienyeku
• Huakun Zheng
• Zonghua Wang

抄録

植物病原体のゲノムは非常に可変的で可塑的である。病原体の遺伝子レパートリーは植物環境に応じて急速に変化し、その結果、病原体が圃場に出現した直後に植物の抵抗性が急速に失われてしまう。しかし、植物病原体の宿主植物に対する突然変異や適応の動的なプロセスを調べた研究はまだ限られている。本研究では、イネの生産に多大な損失をもたらす真菌病原体である「イネ」を対象に、実験的進化とハイスループットプールシークエンシングを適用し、ゲノム変異の進化を観察した。その結果、一塩基変異（SNV）、挿入・欠失（インデル）、トランスポーズ可能要素（TE）挿入などの突然変異は、イネに連続的に接種している間にゲノム全体に急速に蓄積され、非コード領域に優先的に存在することがわかった。しかし、新しい TE 挿入は時間の経過とともに蓄積し、集団内の分泌タンパク質（SP）をコードする遺伝子の近位領域に優先的に蓄積することも観察された。これらの結果から、いもち病菌のエフェクターが宿主選択下で急速に適応的に進化している可能性が示唆された。植物は、病原体が圃場に広く出現した直後に、抵抗性選択の下で植物病原体が突然変異して急速に適応するため、病原体に対する抵抗性を「失う」。このように、病原体の急速な進化は、植物の健康に対する深刻な脅威である。植物病原体の進化の影響を理解するために、自然の病原体集団を評価する研究が盛んに行われてきたが、植物病原体の宿主植物への突然変異や適応の動的な過程の研究はまだ限られていた。本研究では、イネいもち病菌の遺伝的変異が非コード領域やSPに偏っていることを明らかにし、イネいもち病菌が高い病原性を維持してイネの抵抗性を克服していることを説明した。

The genomes of plant pathogens are highly variable and plastic. Pathogen gene repertoires change quickly with the plant environment, which results in a rapid loss of plant resistance shortly after the pathogen emerges in the field. Extensive studies have evaluated natural pathogen populations to understand their evolutionary effects; however, the number of studies that have examined the dynamic processes of the mutation and adaptation of plant pathogens to host plants remains limited. Here, we applied experimental evolution and high-throughput pool sequencing to , a fungal pathogen that causes massive losses in rice production, to observe the evolution of genome variation. We found that mutations, including single-nucleotide variants (SNVs), insertions and deletions (indels), and transposable element (TE) insertions, accumulated very rapidly throughout the genome of during sequential plant inoculation and preferentially in noncoding regions, while such mutations were not frequently found in coding regions. However, we also observed that new TE insertions accumulated with time and preferentially accumulated at the proximal region of secreted protein (SP) coding genes in populations. Taken together, these results revealed a bias in genetic variation toward noncoding regions and SP genes in and may contribute to the rapid adaptive evolution of the blast fungal effectors under host selection. Plants "lose" resistance toward pathogens shortly after their widespread emergence in the field because plant pathogens mutate and adapt rapidly under resistance selection. Thus, the rapid evolution of pathogens is a serious threat to plant health. Extensive studies have evaluated natural pathogen populations to understand their evolutionary effects; however, the study of the dynamic processes of the mutation and adaptation of plant pathogens to host plants remains limited. Here, by performing an experimental evolution study, we found a bias in genetic variation toward noncoding regions and SPs in the rice blast fungus , which explains the ability of the rice blast fungus to maintain high virulence variation to overcome rice resistance in the field.

Copyright © 2020 Zhong et al.