植物病害通常是由一組病原體相互競爭以在感染生態(tài)位中站穩(wěn)腳跟引起的。然而之前的研究通常僅限于其宿主上的單一病原體。在歐洲小麥赤霉病(FHB)是由多種鐮刀菌屬物種引起的，包括禾谷鐮刀菌和梨孢鐮刀菌。本文結(jié)合接種的時(shí)間序列，通過多光譜成像、轉(zhuǎn)錄和真菌毒素分析進(jìn)行監(jiān)測，以研究物種和小麥之間的時(shí)間相互作用。結(jié)果表明，與禾谷鐮刀菌單次接種相比，禾谷鐮刀菌和梨孢鐮刀菌的共接種抑制了癥狀的發(fā)展，但沒有改變真菌毒素的積累。相比之下，梨孢鐮刀菌的預(yù)接種減少了 FHB 癥狀和霉菌毒素與單一禾谷鐮刀菌感染相比的水平。有趣的是，梨孢鐮刀菌在雙重感染中表現(xiàn)出增加的增長，表明這種弱病原體利用了它與禾谷鐮刀菌的共存。定量逆轉(zhuǎn)錄 PCR 顯示梨孢鐮刀菌誘導(dǎo)小麥中的 LOX 和 ICS 基因表達(dá)。我們假設(shè)梨孢鐮刀菌對水楊酸和茉莉酸相關(guān)防御的早期誘導(dǎo)阻礙了隨后的禾谷鐮刀菌感染。這項(xiàng)研究報(bào)道了植物的防御機(jī)制，涉及兩種疾病復(fù)合體與其宿主之間的三方相互作用。

圖1.田間樣品中同一小穗上單獨(dú)存在或與其他鐮刀菌種組合存在的梨孢鐮刀菌

通過分析散布在比利時(shí)佛蘭德斯七個(gè)地點(diǎn)17 年的調(diào)查數(shù)據(jù)，本文評估了梨孢鐮刀菌和禾谷鐮刀菌的共存情況。總共評估了7000多個(gè)小麥穗和40多個(gè)栽培品種是否存在FHB成員。該分析表明只存在梨孢鐮刀菌癥狀的僅有30.0%的案例，梨孢鐮刀菌伴有禾谷鐮刀菌的案例占比31.2%，伴有禾谷鐮刀菌、黃色鐮刀菌的梨孢鐮刀菌案例占比15.4%(圖1a,b)。

這項(xiàng)多年的多地點(diǎn)分析表明，在田間條件下禾谷鐮刀菌、黃色鐮刀菌的梨孢鐮刀菌的顯著共存。由于燕麥鐮刀菌的發(fā)生率較低，沒有進(jìn)一步關(guān)注與該物種的相互作用。

圖2.梨孢鐮刀菌2,516在離體葉片試驗(yàn)中對禾谷鐮刀菌PH-1感染的影響

梨孢鐮刀菌預(yù)接種的 FV/FM 值顯著高于單一禾谷鐮刀菌接種（圖2a、b）。此外，缺乏癥狀與校正的(c) GFP信號降低一致，反映了禾谷鐮刀菌的存在減少（圖2a、c）和禾谷鐮刀菌生物量的顯著減少（圖2d）。 最后，由于禾本科鐮刀菌感染期間產(chǎn)生的紅鐮孢菌素導(dǎo)致的典型微紅色在分離的葉子中預(yù)接種梨孢鐮刀菌時(shí)也消失了。在同時(shí)接種禾谷鐮刀菌和梨孢鐮刀菌的雙重接種中，與單一禾谷鐮刀菌感染相比，癥狀明顯較輕。這些結(jié)果通過評估由cGFP信號可視化的禾谷鐮刀菌的存在和活性以及通過定量逆轉(zhuǎn)錄 PCR (RT-qPCR) 評估的生物量得到證實(shí)。與禾谷鐮刀菌的單一感染相比，這兩個(gè)參數(shù)在第3天分別顯示出顯著和輕微降低（圖2c、d）。

圖3.在離體葉片試驗(yàn)中，禾谷鐮刀菌PH-1接種對梨孢鐮刀菌2,516 感染的影響

為了了解禾谷鐮刀菌PH-1 對梨孢鐮刀菌2,516存在的影響，我們使用了帶有GFP標(biāo)記的梨孢鐮刀菌2,516分離株與野生型禾谷鐮刀菌PH-1并評估了后者的影響。通過用無菌手術(shù)刀在0.1、1和2厘米的長度上刮擦表皮層而在機(jī)械損傷的葉子上接種了帶有GFP標(biāo)記的梨孢鐮刀菌，以檢查梨孢鐮刀菌是否受益于禾谷鐮刀菌感染引起的葉片損傷。梨孢鐮刀菌在較大的傷口中顯示出明顯更大的生長。

圖4.梨孢鐮刀菌2,516接種對小麥穗上禾谷鐮刀菌PH-1感染的影響

為了驗(yàn)證在小麥穗（FHB 病原體的主要生態(tài)位）中的觀察，本文評估了梨孢鐮刀菌的預(yù)接種是否也減少了穗上禾谷鐮刀菌的感染。因此在用梨孢鐮刀菌接種相同的小穗前1或2天接種了禾谷鐮刀菌分生孢子懸浮液。感染7天后，在禾谷鐮刀菌前1或2天用梨孢鐮刀菌預(yù)接種小穗導(dǎo)致FHB癥狀減少的趨勢沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，如通過紅-綠-藍(lán) (RGB)圖像測量，較高的FV/FM值（圖 4a、b和S9）、低評分癥狀的百分比（圖4d）、禾谷鐮刀菌的cGFP信號降低（圖4a、c和S9）以及禾谷鐮刀菌的減少，通過RT-qPCR獲得的生物量（圖4e和S9）與禾谷鐮刀菌的單一接種或禾谷鐮刀菌和梨孢鐮刀菌的共接種相比，證實(shí)了從離體葉測定中的發(fā)現(xiàn)。

圖5.梨孢鐮刀菌2,516對禾谷鐮刀菌PH-1產(chǎn)生的真菌毒素的影響

本文分析了禾谷鐮刀菌中TRI5基因的轉(zhuǎn)錄本，這是DON生物合成中的一個(gè)關(guān)鍵基因。在小麥葉測定和小麥穗測定中，在接種梨孢鐮刀菌前1或2天預(yù)接種禾谷鐮刀菌導(dǎo)致與早期感染時(shí)間點(diǎn)的單一禾谷鐮刀菌接種相比顯著降低的 TRI5 基因表達(dá)水平（第1 天和第2天；圖5a、c）。在較晚的時(shí)間點(diǎn)（葉子測定的第3天，穗測定的第4天和第7天），處理之間TRI5基因相對表達(dá)的差異不太明顯，除了在接種梨孢鐮刀菌前2天接種梨孢鐮刀菌的相互作用禾谷鐮刀菌和在葉片測定中同時(shí)接種這兩個(gè)物種的相互作用。對于禾本科TRI5基因的表達(dá)，禾本科的生物量非常低，TRI5的表達(dá)低于檢測水平。