小染色体（Mini-chromosomes）也称B染色体或附属染色体（Accessory chromosomes），是种群中某些个体存在的一种特殊染色体，通常表现出异染色质、转座子含量高和基因密度低等特征。据报道，在3000多个植物、动物和真菌物种中发现B染色体存在。
目前在20多个真菌物种（绝大多数为植物病原真菌）鉴定出了B染色体，数量从1-11条不等。一般认为B染色体富含效应蛋白和次生代谢基因簇，这些特性与真菌致病性有关，但每条B染色体执行的功能可能不同。但B染色体如何调控真菌营养方式以及植物-真菌的相互关系仍不清楚。
重点实验室树木适应性与材性的环境调控团队前期从美洲黑杨根系分离鉴定出一种新颖内生真菌Stagonosporopsis rhizophilae sp. nov.（隶属于子囊菌亚隔孢壳科Didymellaceae）。研究表明其中2个菌株（16W和16B）表现出明显的表型（菌落形态、产孢能力）与生理差异（黑色素与生长素合成能力等），且对杨树的生长和根系发育调控能力也迥异。为了揭示机理，首先对上述菌株进行高质量的基因组组装和注释，结果显示几乎所有的scaffolds两端都有典型的端粒重复序列，表明达到了染色体级别的组装效果。共线性分析发现16W含有19条染色体，而16B只有18条。16W多出的一条染色体为最短（长度约0.6M），其他结构特征也符合B染色体的定义。根据两组单拷贝基因数据构建基因树，发现与物种系统发育树不一致，反而与格孢菌科（Pleosporaceae）中的链格孢属（Alternaria）真菌亲缘关系较近，表明该B染色体可能通过水平转移方式获得。
为了验证B染色体对16W基础生物学特性的影响，将该菌株置于含有多菌灵的培养基，通过多轮筛选，获得B染色体缺失的突变体（D16W）。基于二代基因组测序、PCR扩增和凝胶脉冲电泳等技术，确认D16W缺失了整条B染色体，而其他18条核心染色体几乎未发生突变。前人研究结果显示，B染色体缺失（尤其对于只含有1条B染色体的个体）一般不改变真菌生长、表型和适应性。但本研究体外测试表明，D16W与16B的性状更加接近，比如形成了色素化的菌丝、分泌生长素等。同时，相较于16W，无论是人工创制的突变体D16W还是自然缺失B染色体的16B，对氧化胁迫、渗透胁迫和细胞壁胁迫均比较敏感，表明B染色体对提高16W的环境适应性尤为重要。
接种试验表明，16W对杨树无性系幼苗生长无明显促进作用，但也不引起明显病害特征，而D16W与16B均能显著提升幼苗生长和叶绿素含量，特别是不定根和次生根的发育。16B接种后还能促进幼苗的耐盐性能。通过根系压片染色和WGA-PI横切，表明16W未能侵入根系内部，而D16W与16B可以在根系皮层细胞形成微菌核结构，是典型的深色有隔内生真菌（dark septate endophytes，DSEs）的特征。接菌后根系H2O2染色半定量分析结果也支持了上述结论。为了进一步明确这种生物学效应是否具有普遍性，选择了拟南芥、小麦和地钱作为植物材料，结果表明D16W与16B的侵染特征和作用方式具有宿主广谱性特点，而16W能明显抑制小麦和拟南芥的生长。但与地钱共培养过程中发现，三个菌株均能促进地钱生长。表明B染色体上的效应蛋白或其他分泌蛋白可能是高等维管植物的特异性毒力因子。
通过菌丝纯培养条件下的转录组数据分析，缺失B染色体导致18条核心染色体上的生长素与黑色素合成相关基因表达量显著上升，这与生理测试的结论相吻合。同时，与侵染能力有关的植物细胞壁降解酶和效应蛋白等基因也一定程度被激活，部分解释了为何D16W与16B能成为根系内生菌，而16W只定殖在根表。紧接着，利用ATAC-seq技术（染色质可及性测序），比较了三个菌株的染色质开放性特征，发现缺失B染色体降低了染色质的可及性，但深层次的机理仍值得探索。通常认为染色质可及性改变能引起相应区域基因表达的变化，但RNA-seq和ATAC-seq的联合分析表明，只有少部分基因表达与染色质开放性存在一定的相关性，推测可能存在较复杂的基因表达调控模块或者由于染色质可及性变化和基因表达变化不同步造成的。
最后，发现B染色体上的2个转录因子具有较明显的转录因子足迹信号，其中IXR1在18条核心染色体上调控的基因功能富集结果与逆境胁迫相关，部分解释了16W具有较强适应性的原因。
总之，本研究结果表明B染色体对于调控多种植物-真菌共生关系具有重要作用，B染色体的缺失将弱致病性的S. rhizophilae菌株转变成有益的DSE真菌，为科学认知植物-真菌共生的维持和打破提供了新的见解。
本研究工作得到了国家重点研发计划“林业种质资源培育与质量提升”重点专项-“人工林目标性状定向培育理论基础（青年科学家项目）”（2022YFD2201900）项目任务（根系-微生物互作调控杨树摄取氮素的作用机制）资助。
原文链接：
https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(23)00200-6
