Cellular Tracking and Gene Profiling of Fusarium graminearum during Maize Stalk Rot Disease Development Elucidates Its Strategies in Confronting Phosphorus Limitation in the Host Apoplast

Resumo

O fungo ascomiceto Fusarium graminearum causa a podridão do colmo do milho. Rastreamos o crescimento desse patógeno em talos de milho inoculados com feridas usando um isolado fúngico marcado com fluorescência e observamos que as hifas invasivas cresceram intercelularmente até 24 horas após a inoculação, cresceram intra e intercelularmente entre 36 e 48 horas e ocuparam totalmente as células invadidas após 72 horas. Usando a microdissecção a laser e a análise de microarranjo, traçamos o perfil das alterações na expressão global de genes durante o crescimento do patógeno dentro dos tecidos da medula do caule do milho de 12 h a seis dias após a inoculação e documentamos os padrões transcriptômicos que fornecem mais informações sobre o processo de infecção. As alterações na expressão dos transcritos que codificam várias enzimas de degradação da parede celular da planta parecem estar correlacionadas com o crescimento hifal inter e intracelular. Os genes associados a 36 grupos de biossíntese de metabólitos secundários foram expressos. A expressão de vários genes do F. graminearum potencialmente envolvidos na mobilização do triacilglicerol do lipídio de armazenamento e na biossíntese de lipídios sem fósforo foi induzida durante os primeiros momentos da infecção, e a exclusão desses genes causou redução da virulência no caule do milho. Além disso, demonstramos que o gene da betaína lipídio sintase 1 (BTA1) do F. graminearum era necessário e suficiente para a produção de lipídios de membrana sem fósforo e que a exclusão do BTA1 interferia na capacidade do F. graminearum de avançar intercelularmente. Concluímos que o F. graminearum produz lipídios de membrana sem fósforo para se adaptar a um microambiente extracelular limitado por fosfato durante os estágios iniciais de sua invasão do colmo do milho.

Abstract

The ascomycete fungus Fusarium graminearum causes stalk rot in maize. We tracked this pathogen’s growth in wound-inoculated maize stalks using a fluorescence-labeled fungal isolate and observed that invasive hyphae grew intercellularly up to 24 h post inoculation, grew intra- and inter-cellularly between 36–48 h, and fully occupied invaded cells after 72 h. Using laser microdissection and microarray analysis, we profiled changes in global gene expression during pathogen growth inside pith tissues of maize stalk from 12 h to six days after inoculation and documented transcriptomic patterns that provide further insights into the infection process. Expression changes in transcripts encoding various plant cell wall degrading enzymes appeared to correlate with inter- and intracellular hyphal growth. Genes associated with 36 secondary metabolite biosynthesis clusters were expressed. Expression of several F. graminearum genes potentially involved in mobilization of the storage lipid triacylglycerol and phosphorus-free lipid biosynthesis were induced during early infection time points, and deletion of these genes caused reduction of virulence in maize stalk. Furthermore, we demonstrated that the F. graminearum betaine lipid synthase 1 (BTA1) gene was necessary and sufficient for production of phosphorus-free membrane lipids, and that deletion of BTA1 interfered with F. graminearum’s ability to advance intercellularly. We conclude that F. graminearum produces phosphorus-free membrane lipids to adapt to a phosphate-limited extracellular microenvironment during early stages of its invasion of maize stalk.