The molecular regulatory network for the accumulation of metabolites in the stems and roots of Ephedra sinica by the fungus Didymella keratinophila

Resumo

O uso de fungos simbiontes para regular o acúmulo de metabólitos vegetais, especialmente os secundários, representa uma estratégia promissora para melhorar a qualidade das plantas e sua capacidade de enfrentar doenças. Contudo, a extensão e os mecanismos das interações fungo–planta ainda não são totalmente compreendidos. Neste estudo, um fungo endofítico ativo, Didymella keratinophila (EAS-6), foi selecionado a partir de caules de Ephedra sinica, e investigaram-se preliminarmente seus efeitos sobre o acúmulo de metabólitos nos caules aéreos e nas raízes do hospedeiro, bem como os mecanismos subjacentes. Os resultados mostraram que D. keratinophila esteve associado a alterações nos níveis de 65 metabólitos nos caules, envolvendo principalmente vias metabólicas-chave como o metabolismo de fenilpropanoides, flavonoides, terpenoides e alcaloides derivados do chiquimato. Foram detectados 83 genes-chave e 29 fatores de transcrição (FTs) dessas vias como potenciais participantes da regulação metabólica. Nas raízes, D. keratinophila esteve associado a alterações nos níveis de 116 metabólitos, acompanhadas da expressão diferencial de 25 FTs e 113 genes-chave; notadamente, o acúmulo de 31 metabólitos – como alcaloides, flavonoides e polifenóis – foi suprimido, enquanto 85 metabólitos, incluindo nucleotídeos, ácidos graxos, aminoácidos e terpenoides, aumentaram. Os resultados indicam que D. keratinophila não apenas afetou significativamente o metabolismo do caule, mas também influenciou de forma diferenciada o acúmulo de metabólitos nas raízes, com maior impacto no primeiro.

Abstract

Utilizing symbiotic fungi to regulate the accumulation of plant metabolites especially secondary metabolites represents a promising strategy for improving plant’s quality and ability of coping with diseases. However, the extent and mechanisms of fungal–plant interactions remain incompletely understood. In this study, an active endophytic fungus, Didymella keratinophila (EAS-6), was screened from the stems of Ephedra sinica, and preliminarily investigated its effects on the accumulation of metabolites in the host’s aboveground stems and underground roots, as well as the underlying mechanisms. The results showed that D. keratinophila was associated with changes in the levels of 65 metabolites in stems, primarily involving key metabolic pathways such as phenylpropanoid metabolism, flavonoids, terpenoids, and shikimate-derived alkaloids. A total of 83 key genes and 29 transcription factors (TFs) involved in these pathways were detected as potentially participating in metabolic regulation. In roots, D. keratinophila was associated with changes in the levels of 116 metabolites, accompanied by differential expression of 25 TFs and 113 key genes; notably, the accumulation of 31 metabolites—such as alkaloids, flavonoids, and polyphenols—was suppressed, whereas 85 metabolites, including nucleotides, fatty acids, amino acids and terpenoids were enhanced. The results indicated that D. keratinophila not only significantly affected the metabolism of the host organ stem, but also differentially influenced the accumulation of metabolites in the roots, with a greater impact on the former than the latter.