Comparative analysis of transcriptome and sRNAs expression patterns in the Brachypodium distachyon - Magnaporthe oryzae pathosystem

Abstract

Magnaporthe oryzae (Mo) is the causal agent of one of the most economically relevant diseases of rice, rice blast, and has been extensively studied as a model Ascomycetes. In addition to colonizing rice aerial parts, Mo is also capable of infecting root tissues and has a wide range of Poaceae hosts, including Brachypodium distachyon(Bd). Recently, it has been suggested that beside protein effectors, fungi produce small (s)RNAs that can be secreted and exchanged with the infected organism in order to silence genes directly associated with the outcome of the infection, a process termed cross-kingdom RNAi (ck-RNA). At the same time, the infection is known to induce sRNA expression in the host, with a subset of them potentially transported to the pathogen to target pathogenicity/virulence genes, resulting in a bidirectional RNAi-based cross-talk between the interacting organisms. In the present work I examined tissue specific mRNA and sRNA expression profiles inMo-Bd interaction in order to characterize the pathosystem and shed further light on thecrucial role that sRNAs play in the establishment and maintenance of fungal infection. By comparative deep sequencing of sRNAs and mRNAs from axenic fungal cultures and infected leaves and roots, I found a wide range of fungal sRNAs that accumulated exclusively in infected tissues. Among those, 20-22 nt candidate sRNAs were predicted in silico by selecting Mo reads that had predicted targets in the Bd transcriptome for a possible cross-kingdom function. Vice versa, we found that during the infection Bd produces sRNAs not only to fulfill an endogenous function, but also to target a variety of fungal transcripts, encoding fungal cell wall components, virulence genes and transcription factors. Consistent with a potential function as effectors, the Bd sRNAs predicted fungal targets were significantly down-regulated in the infected tissues compared to axenic cultures and deletion mutants for some of these target genes are known to result in heavily impaired virulence phenotypes. Overall, this work provides a comprehensive picture of the interaction between rice blast and Bd, both in the transcriptomic reprogramming and the sRNA species produced and potentially exchanged between the pathogenic fungus and its host plant, paving the way for further characterization studies and contributing to the emerging research on naturally occurring cross-kingdom communication and its implications for agriculture.

Magnaporthe oryzae (Mo) ist der Erreger einer der wirtschaftlich relevantesten Reiskrankheiten, dem Reisbrand , und wurde als Modell für Ascomyceten eingehend untersucht. Neben der Besiedlung von oberirdischen Organen ist Mo auch in der Lage, Wurzelgewebe zu infizieren, und hat ein breites Spektrum von Poaceae-Wirten, darunter Brachypodium distachyon (Bd). Kürzlich wurde vorgeschlagen, dass Pilze neben den bekannten Proteineffektoren kleine (s)RNAs produzieren, die sekretiert und mit dem infizierten Organismus ausgetauscht werden können, um Gene zu inaktivieren (gene silencing), die direkt mit der Infektion in Verbindung stehen, ein Prozess, der als Cross- Kingdom-RNAi (ck-RNA) bezeichnet wird. Gleichzeitig ist bekannt, dass die Infektion die Expression von sRNA im Wirt induziert, wobei eine Untergruppe dieser sRNAs möglicherweise zum Pathogen transportiert wird, um Pathogenitäts-/Virulenzgene zu inaktivieren, was zu einem bidirektionalen RNAi-basierten Cross-Talk zwischen den interagierenden Organismen führt. In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich gewebespezifische mRNA- und sRNA-Expressionsprofile in der Mo-Bd-Interaktion, um das Pathosystem zu charakterisieren und die entscheidende Rolle, die sRNAs bei der Etablierung und Aufrechterhaltung einer Pilzinfektion spielen, weiter zu beleuchten. Durch vergleichende Tiefensequenzierung von sRNAs und mRNAs aus axenischen Pilzkulturen und infizierten Blättern und Wurzeln fand ich ein breites Spektrum von Pilz- sRNAs, die ausschließlich in infizierten Geweben akkumulierten. Unter diesen wurden 20-22 nt Kandidaten-sRNAs in silico vorhergesagt, indem Mo-Reads ausgewählt wurden, die Ziele im Bd-Transkriptom für eine mögliche Cross-Kingdom-Funktion vorhergesagt hatten. Umgekehrt stellten wir fest, dass auch Bd während der Infektion sRNAs produziert, die nicht nur eine endogene Funktion erfüllen, sondern auch gegen eine Vielzahl von Pilztranskripten gerichtet sind, die für pilzliche Zellwandkomponenten, Virulenzgene und Transkriptionsfaktoren kodieren. In Übereinstimmung mit einer potenziellen Funktion als Effektoren wurden die vorhergesagten Pilztargets der Bd sRNAs im infizierten Gewebe im Vergleich zu axenischen Kulturen signifikant herunterreguliert, und es ist bekannt, dass Deletionsmutanten für einige dieser Zielgene zu stark beeinträchtigten Virulenzphänotypen führen. Insgesamt liefert diese Arbeit ein umfassendes Bild der Wechselwirkung zwischen Mo und Bd, sowohl bei der transkriptomischen Reprogrammierung, als auch bei den sRNA-Spezies, die möglicherweise zwischen dem pathogenen Pilz und seiner Wirtspflanze ausgetauscht werden. Die Arbeit ebnet damit den Weg für weitere Charakterisierungsstudien und leistet einen Beitrag zur Forschung über die Kommunikation zwischen Krankheitserregern und Wirtspflanzen mittels sRNA und deren Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktion.