Elucidating the role of cross-kingdom rna interference between the fungal pathogen fusarium verticillioides and its host plant maize (zea mays)

Abstract

Mısır, dünya çapında yetiştirilen en yaygın tahıl ürünlerinden biridir ve dünyanın birçok yerinde milyonlarca insanın geçimini sağlar. Bitki patojenik mantarları arasında en yaygın olanlardan biri Fusarium verticillioides'tir. Enfeksiyonun bir sonucu olarak kök çürümesi, taç çürümesi, fide yanıklığı, koçan çürümesi, sap çürümesi ve tohum çürümesi hastalıkları ortaya çıkar. Bu tehditleri ortadan kaldırmak için konakçılar ve patojenler arasındaki etkileşimleri anlamak kritik öneme sahiptir. Bu etkileşimleri ortaya çıkarmak için yapılan son çalışmalar, RNA moleküllerinin bitkiler ve patojenler arasında karşılıklı olarak taşındığını ve gen susturulmasında önemli bir rol oynadığını bulmuştur. RNA interference, dsRNA tarafından indüklenen gen susturma mekanizmasıdır. Bu çalışma, F. verticillioides-mısır etkileşiminde rol oynaması muhtemel genleri, âlemler arası RNAi yöntemi ile belirlemeyi amaçlamaktadır. Bu çalışmada, F. verticillioides, ilk gerçek yaprakların ortaya çıkmasından sonra yaprak aşılama yöntemi ile mısır fidelerine uygulandı. Enfeksiyonun etkileri morfolojik, fizyolojik, biyokimyasal ve moleküler parametreler bakımından değerlendirildi. Enfeksiyonun mısır üzerindeki etkisini değerlendirmek için son yaprak uzunlukları kaydedildi ve dirençli enfekte ve kontrol grupları arasında üçüncü ve dördüncü yapraklarda istatistiksel olarak önemli farklılıklar bulundu. Yaprak genişliği, yaprak alanı, klorofil içeriği ve hücre uzunlukları değerlendirildiğinde enfeksiyonun bitkiye birçok farklı parametreden etki ettiği görülmektedir. Biyokimyasal analizler, fenolik içerik ve antioksidan enzim aktivitelerinde oksidatif stresi ve savunma mekanizmalarının aktivasyonunu gösteren önemli değişiklikler gösterdi. Moleküler düzeyde, konak ve mantar miRNA'larının ve hedef genlerinin transkript profillemesi, âlemler arası düzenleyici etkileşimleri ortaya koydu. Örneğin, F. verticillioides'ten türetilen fv-miR1827, 815 kat yukarı düzenlendi ve mısır hedef geni 3-ketoasil-CoA sentazında dramatik bir 5651 kat azalmaya yol açtı. Tersine, mısırdan türetilen Zm-miR159, enfeksiyona yanıt olarak 5 kat yukarı düzenlendi. Hedef genlerinden bazıları indüklenirken, vakuolar füzyon proteini MON1, %88 oranında önemli ölçüde aşağı düzenlendi. Deney sonuçları, sRNA'ların konak ve patojen arasındaki iletişimi aracılık ettiği hipotezini desteklemektedir. Bu bulgular, mısır-F. verticillioides etkileşimleri sırasında gerçekleşen moleküler diyaloğa ilişkin bilgiler sağlıyor ve RNAi tabanlı stratejiler ile hastalık direncini iyileştirmek için umut vaadetmektedir.Maize is one of the most widely cultivated cereal crops worldwide, providing livelihoods for millions of people in many parts of the world. One of the most common plant pathogenic fungi is Fusarium verticillioides. As a result of infection, root rot, crown rot, seedling blight, ear rot, stalk rot, and seed rot diseases occur. Understanding the interactions between hosts and pathogens is critical to eliminate these threats. Recent studies to uncover these interactions have found that RNA molecules travel reciprocally between plants and pathogens and play an important role in gene silencing. The gene silencing mechanism induced by dsRNA was named RNAi. Therefore, this study aims to identify genes likely to play a role in the F. verticillioides-maize interaction by cross-kingdom RNAi. In this study, F. verticillioides was applied to maize seedlings by the leaf inoculation method before the first true leaves emerged. The effects of infection were evaluated in terms of morphological, physiological, biochemical, and molecular parameters. To evaluate the effect of infection on maize, final leaf lengths were recorded and statistically significant differences were found in the third and fourth leaves between the resistant infected and resistant control groups.. When leaf width, leaf area, chlorophyll content, and cell lengths were evaluated, it was observed that the infection affected the plant through many different parameters. Biochemical analyses showed significant changes in phenolic content and antioxidant enzyme activities, indicating oxidative stress and activation of defense mechanisms. At the molecular level, transcript profiling of host and fungal miRNAs and their target genes revealed cross-kingdom regulatory interactions. For example, F. verticillioides-derived fv-miR1827 was upregulated 815-fold, leading to a dramatic 5651-fold decrease in its maize target gene, 3-ketoacyl-CoA synthase. Conversely, maize-derived Zm-miR159 was up-regulated by 5-fold in response to infection. While some of its target genes were induced, the vacuolar fusion protein MON1 was significantly down-regulated by 88%. The experimental results support the hypothesis that sRNAs mediate communication between the host and the pathogen. These findings provide insights into the molecular dialogue that takes place during maize-F. verticillioides interactions and hold promise for improving disease resistance through RNAi-based strategies.