Russian Journal of GeneticsRussian Journal of GeneticsГенетика0016-67583034-5103The Russian Academy of Sciences66719710.31857/S0016675824090043aeqrlcГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВResearch ArticleNovel ToxA Insertion Element in Pyrenophora tritici-repentisНовый инсерционный элемент в гене гриба Pyrenophora tritici-repentisMironenkoN. V.МироненкоН. В.
Russian Federation
nina2601mir@mail.ruOrinaA. S.ОринаА. С.
Russian Federation
nina2601mir@mail.ruKovalenkoN. M.КоваленкоН. М.
Russian Federation
nina2601mir@mail.ruAll-Russian Research Institute of Plant ProtectionВсероссийский научно-исследовательский институт защиты растений10092024609253126022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0016-6758/article/view/667197

Pyrenophora tritici-repentis is the causative agent of tan spot in wheat. Among the necrotrophic effectors produced by the fungus, the most studied is the necrosis-inducing protein toxin Ptr ToxA, encoded by the ToxA gene. Previously, we identified 10 strains of P. tritici-repentis from Kazakhstan and Russia, the amplified fragment of which with ToxA-specific primers turned out to be larger than expected. Sequencing of these fragments of three P. tritici-repentis strains revealed the presence of a 170 bp insertion element PtrHp2 located in exon 2 of the ToxA gene. The PtrHp2 sequence includes three pairs of mutually complementary regions of 16, 8 and 6 bp in length, forming a hairpin-type secondary structure. The inability of P. tritici-repentis strains possessing PtrHp2 in the ToxA gene to cause necrosis on the leaves of cv. Glenlea, which differentiates the presence of Ptr ToxA in the pathogen has been established. This fact indicates a violation of the expression of the mutant ToxA gene. However, the mutant ToxA gene with PtrHp2 is retained in 45% of the fungal mitotic progeny. The fragments homologous to the PtrHp2 are found in non-coding parts of ToxB gene and its homologues in P. tritici-repentis strains, as well as in the genomes of other fungi. This observation indicates the transposon nature of PtrHp2.

Аскомицетный гриб Pyrenophora tritici-repentis является возбудителем желтой пятнистости листьев пшеницы. Среди некротрофных эффекторов, которые продуцирует гриб, наиболее изучен некроз-индуцирующий белковый токсин Ptr ToxА, кодируемый геном ToxА. Ранее нами были выявлены десять штаммов P. tritici-repentis из Казахстана и России с геном ToxA, амплифицированный фрагмент которого со специфичными для ToxА праймерами оказался большего размера, чем ожидалось. Секвенирование последовательности этого фрагмента у трех штаммов гриба выявило присутствие инсерционного элемента PtrHp2 размером 170 пн, локализованного в экзоне 2 гена ToxА. Последовательность PtrHp2 включает три пары взаимно комплементарных участков длиной 16, 8 и 6 пн, формирующих вторичную структуру типа «шпильки». Установлена неспособность штаммов P. tritici-repentis, обладающих инсерцией в гене ToxA, вызывать некроз на листьях сорта Glenlea, дифференцирующего наличие Ptr ToxA в штаммах патогена, что свидетельствует о нарушении экспрессии мутантного гена ToxA. Тем не менее мутантный ген ToxA, содержащий PtrHp2, сохраняется в 45% конидиального потомства гриба. Гомологичные инсерционному элементу PtrHp2 последовательности встречаются в некодирующих частях гена ToxB и его гомологов у штаммов P. tritici-repentis, а также в геномах грибов других видов, что свидетельствует о его транспозонной природе.

tan spotphytotoxinnecrotrophic effectorinsertion element PtrHp2gene ToxAжелтая пятнистостьфитотоксиннекротрофный эффекторинсерционный элемент PtrHp2ген ToxАRees R.G., Platz G.J., Mayer R.J. Yield losses in wheat from yellow spot: Comparison of estimates derived from single tillers and plots // Aust. J. Agric. Res. 1982. V. 33. P. 899–908. https://doi.org/10.1071/AR9820899Bhathal J., Loughman R., Speijers J. Yield reduction in wheat in relation to leaf disease from yellow (tan) spot and Septoria nodorum blotch // Eur. J. Plant Pathol. 2003. V. 109. P. 435–443. https://doi.org/10.1023/A:1024277420773Adhikari T.B., Bai J., Meinhardt S.W. et al. Tsn1-mediated host responses to ToxA from Pyrenophora tritici-repentis // Mol. Plant Microbe Interact. 2009. V. 22. № 9. P. 1056–1068. https://doi.org/10.1094/MPMI-22-9-1056Tan K.C., Ferguson-Hunt M., Rybak K. et al. Quantitative variation in effector activity of ToxA isoforms from Stagonospora nodorum and Pyrenophora tritici-repentis // Mol. Plant Microbe Interact. 2012. V. 25. P. 515–522. https://doi.org/10.1094/MPMI-10-11-0273Friesen T.L., Stukenbrock E.H., Liu Z. et al. Emergence of a new disease as a result of interspecific virulence gene transfer // Nat. Genet. 2006. V. 38. P. 953–956. https://doi.org/10.1038/ng1839Faris J.D., Liu Z., Xu S.S. Genetics of tan spot resistance in wheat // Theor. Appl. Genet. 2013. V. 126. P. 2197–2217. https://doi.org/10.1007/s00122-013-2157-yStukenbrock E.H., McDonald B.A. Geographical variation and positive diversifying selection in the host specific toxin Sn ToxA // Mol. Plant Pathol. 2007. V. 8. P. 321–332. https://doi.org/10.1111/j.1364-3703.2007.00396.xМироненко Н.В., Баранова О.А., Коваленко Н.М., Михайлова Л.А. Частота гена ToxA в популяциях Pyrenophora tritici-repentis на Северном Кавказе и северо-западе России // Микология и фитопатология. 2015. Т. 49. № 5. С. 325–329.Aboukhaddour R., Hafez M., McDonald M. et al. A revised nomenclature for ToxA haplotypes across multiple fungal species // Phytopathology. 2023. V. 113. № 7. P. 1180–1184. https://doi.org/10.1094/PHYTO-01-23-0017-SCHafez M., Despins T., Nakajima K., Aboukhaddour R. Identification of a novel ToxA haplotype of Pyrenophora tritici-repentis from Japan // Phytopathology. 2022. V. 112. P. 1597–1602. https://doi.org/10.1094/PHYTO-01-22-0001-SCМироненко Н.В., Баранова О.А., Коваленко Н.М. Характеристика географически отдаленных популяций Pyrenophora tritici-repentis по вирулентности и генам токсинообразования ToxA и ToxB // Вестн. защиты растений. 2019. № 1. С. 24–29. https://doi.org/10.31993/2308-6459-2019-1(99)-24-29Мироненко Н.В., Орина А.С., Коваленко Н.М., Зубко Н.Г. Расовый состав и изменчивость гена ToxA в географически отдаленных популяциях Pyrenophora tritici-repentis // Микология и фитопатология. 2024. Т. 58. № 3. С. 246–253. https://doi.org/10.31857/S0026364824030064Михайлова Л.А., Гультяева Е.И., Кокорина Н.М. Лабораторные методы культивирования возбудителя желтой пятнистости пшеницы Pyrenophora tritici-repentis // Микология и фитопатология. 2002. Т. 36. № 1. С. 63–67.Murray H.G., Thompson W.F. Rapid isolation of high molecular weight DNA // Nucl. Acids Res. 1980. V. 8. P. 4321–4325. https://doi.org/10.1093/nar/8.19.4321Andrie R.M., Pandelova I., Ciuffetti L.M. A combination of phenotypic and genotypic characterization strengthens Pyrenophora tritici-repentis race identification // Phytopathology. 2007. V. 97. P. 694–701. https://doi.org/10.1094/PHYTO-97-6-0694Boom R., Sol C.J., Salimans M.M. et al. Rapid and simple method for purification of nucleic acids // J. Clin. Microbiol. 1990. V. 28. P. 495–503. https://doi.org/10.1128/jcm.28.3.495-503.1990Waterhouse A.M., Procter J.B., Martin D.M.A. et al. Jalview Version 2 – a multiple sequence alignment editor and analysis workbench // Bioinformatic. 2009. V. 25. P. 1189–1191. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btp033Reuter J.S., Mathews D.H. RNAstructure: Software for RNA secondary structure prediction and analysis // BMC Bioinformatic. 2010. V. 11. https://doi.org/10.1186/1471-2105-11-129Lamari L., Gilbert J., Tekauz A. Race differentiation in Pyrenophora tritici-repentis and survey of physiologic variation in western Canada // Can. J. Plant Pathol. 1998. V. 20. P. 396–400. https://doi.org/10.1080/07060669809500410Lamari L., Strelkov S.E. The wheat – Pyrenophora tritici-repentis interaction: Progress towards an understanding of tan spot disease // Can. J. Plant Pathol. 2010. V. 32. P. 4–10. https://doi.org/10.1080/07060661003594117Михайлова Л.А., Мироненко Н.В., Коваленко Н.М. Популяции Pyrenophora tritici-repentis на Северном Кавказе и Северо-Западе России: расовый состав и динамика вирулентности // Микология и фитопатология. 2014. Т. 48. Вып. 6. С. 393–400.Афанасенко О.С., Новожилов К.В. Проблемы рационального использования генетических ресурсов устойчивости растений к болезням // Экол. генетика. 2009. Т. 7. № 2. С. 38–42. https://doi. Org/10.17816/ecogen7238-43Lepoint P., Renard M.E., Legreve A. et al. Genetic diversity of the mating type and toxin production genes in Pyrenophora tritici-repentis // Phytopathology. 2010. V. 100. P. 474–483. https://doi.org/10.1094/PHYTO-100-5-0474Moolhuijzen P.M., See P.T., Oliver R.P., Moffat C.S. Genomic distribution of a novel Pyrenophora tritici-repentis ToxA insertion element // PLoS One. 2018. V. 13. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206586Chang S.S., Zhang Z., Liu Y. RNA interference pathways in fungi: mechanisms and functions // Annu. Rev. Microbiol. 2012. V. 66. P. 305–323. https://doi.org/10.1146/annurev-micro-092611-150138Martinez J.P., Oesch N.W., Ciuffetti L.M. Characterization of the multiple-copy host-selective toxin gene, ToxB, in pathogenic and nonpathogenic isolates of Pyrenophora tritici-repentis // Mol. Plant-Microbe Interact. 2004. V. 17. P. 467–474. https://doi.org/10.1094/MPMI.2004.17.5.467.Wyatt N.A., Friesen T.L. Four reference quality genome assemblies of Pyrenophora teres f. maculata: A resource for studying the barley spot form net blotch interaction // Mol. Plant Microbe Interact. 2021. V. 34. P. 135–139. https://doi.org/10.1094/MPMI-08-20-0228-AMcDonald M.C., Taranto A.P., Hill E. et al. Transposon-mediated horizontal transfer of the host-specific virulence protein ToxA between three fungal wheat pathogens // mBio. 2019. V. 10. https://doi.org/10.1128/mBio.01515-19Gourlie R., McDonald M., Hafez M. et al. The pangenome of the wheat pathogen Pyrenophora tritici-repentis reveals novel transposons associated with necrotrophic effectors ToxA and ToxB // BMC Biol. 2022. V. 20. Art. 239. https://doi.org/10.1186/s12915-022-01433-wGluck-Thaler E., Vogan A.A., Branco S. Giant mobile elements: Agents of multivariate phenotypic evolution in fungi // Cur. Biol. 2022. V. 32. № 5. P. R234–R236. https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.01.020Urquhart A.S., Vogan A.A., Gardiner D.M., Idnurm A. Starships are active eukaryotic transposable elements mobilized by a new family of tyrosine recombinases // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2023. V. 120. https://doi.org/10.1073/pnas.2214521120Мироненко Н.В., Орина А.С., Коваленко Н.М. Генетический полиморфизм ядер штаммов Pyrenophora tritici-repentis по генам-эффекторам ToxA и ToxB // Генетика. 2021. T. 57. № 5. C. 528–535. https://doi.org/10.31857/S0016675821040093 (Mironenko N.V., Orina A.S., Kovalenko N.M. Nuclear genetic polymorphism in Pyrenophora tritici-repentic strains for ToxA and ToxB effector genes // Rus. J. Genetics. 2021. V. 57. P. 533–539. https://doi.org/10.1134/S1022795421040098)