Systematic Characterization of the bZIP Transcription Factor Gene Family in the Rice Blast Fungus, Magnaporthe oryzae

Abstract

곰팡이에서 basic leucine zipper (bZIP) 전사인자의 역할은 발달, 영양원 이용, 다양한 스트레스 반응 등 매우 다양한 세포 수준의 조절 기작들에서 밝혀져 있다. 본 연구에서는 22개의 bZIP 전사인자를 암호화 하고 있는 벼 도열병균 (Magnaporthe oryzae) 유전자들 (MobZIPs)을 체계적으로 구명하였다. 먼저 곰팡이의 bZIP 전사인자들에 대한 계통유전학적 분석을 통해 7개의 MobZIP 유전자들은 벼 도열병균 특이적임을 밝혔고, 그에 반해 나머지 15개의 MobZIP 유전자들은 자낭균문 내에 속하는 곰팡이들의 유전자들과 병렬상동 관계를 이루고 있음을 확인하였다. 다양한 조건 하에서 MobZIP 유전자들의 발현 패턴을 분석한 결과 이들 유전자들은 스트레스 조건에서 높은 발현 수준을 보였다. 또한 표현형 변화 관찰을 통한 유전자 기능 규명을 위해 다른 곰팡이 종들의 유전자와 병렬상동 관계에 있는 9개의 유전자 및 4개의 벼 도열병균 특이적인 유전자를 포함하여 총 13개의 MobZIP 유전자들에 대해 이들이 각각 결손된 변이체를 제작한 결과, 7개의 유전자 결손 변이체가 균사 생장, 발달, 그리고/또는 병원성에서 이상을 보임을 확인하였다. 이들 중 MobZIP22, 그리고 MobZIP13 유전자의 경우 다른 곰팡이 종에서 기능이 밝혀진 병렬상동 유전자와 마찬가지로 각각 황 대사과정, 그리고 철 항상성 유지에 관여하는 것으로 나타났으며 이들이 결손된 변이체는 병원성에서도 이상을 보였다. 이 두 유전자와 마찬가지로, 벼 도열병균 특이적인 MobZIP11 유전자 또한 병원성에 필수적이었는데, 특히 이들 세 유전자는 활성산소에 대한 반응을 조절함으로써 병원성에 관여함을 밝혔다. 종합하자면, 본 연구 결과는 벼 도열병균에서 bZIP 전사인자 유전자 집단의 곰팡이 발달, 환경 스트레스에의 적응, 그리고 병원성을 조절하는 기작을 이해하는데 기여할 것이다.

Regulatory roles of the basic leucine zipper (bZIP) transcription factors (TFs) in fungi have been identified in diverse cellular processes such as development, nutrient utilization, and various stress responses. In this study, the 22 Magnaporthe oryzae genes encoding bZIP TFs (MobZIPs) were systematically characterized. Phylogenetic analysis of fungal bZIP TFs revealed that seven MobZIPs are Magnaporthe-specific while others belongs to 15 clades of orthologous Ascomycota genes. Expression patterns of MobZIPs under various conditions showed that they are highly stress-responsive. We generated deletion mutants for 13 MobZIPs: nine with orthologs in other fungal species and four Magnaporthe-specific ones. Seven of them exhibited defects in mycelial growth, development, and/or pathogenicity. Consistent with the conserved functions of the orthologs, MobZIP22 and MobZIP13 played a role in sulfur metabolism and iron homeostasis, respectively. Along with MobZIP22 and MobZIP13, one Magnaporthe-specific gene, MobZIP11 is essential for pathogenicity in a ROS-dependent manner. Taken together, our results will contribute to understanding the regulatory mechanisms of the bZIP TF gene family in fungal development, adaptation to environmental stresses, and pathogenicity in the rice blast fungus.