The ascomycete fungus Fusarium graminearum is a major causal agent for Fusarium head blight in cereals and produces mycotoxins such as trichothecenes and zearalenone. Isolation of the fungal strains from air or cereals can be hampered by various other airborne fungal pathogens and saprophytic fungi. In this study, we developed a selective medium specific to F. graminearum using toxoflavin produced by the bacterial pathogen Burkholderia glumae. F. graminearum was resistant to toxoflavin, while other fungi were sensitive to this toxin. Supplementing toxoflavin into medium enhanced the isolation of F. graminearum from rice grains by suppressing the growth of saprophytic fungal species. In addition, a medium with or without toxoflavin exposed to wheat fields for 1 h had 84% or 25%, respectively, of colonies identified as F. graminearum. This selection medium provides an efficient tool for isolating F. graminearum, and can be adopted by research groups working on genetics and disease forecasting.
Species belonging to the genus Fusarium are widely distributed and cause diseases in many plants. Isolation of fungal strains from air or cereals is necessary for disease forecasting, disease diagnosis, and population genetics [1]. Previously we showed that Fusarium species are resistant to toxoflavin produced by the bacterial rice pathogen Burkholderia glumae while other fungal genera are sensitive to the toxin, resulting in the development of a selective medium for Fusarium species using toxoflavin [2]. In this study, we have tried to elucidate the resistant mechanism of F. graminearum against toxoflavin and interaction between the two pathogens in nature. To test whether B. glumae affects the development of F. graminearum, the wild-type F. graminearum strains were incubated with either the bacterial strain or supernatant of the bacterial culture. Both conditions increased the conidial production five times more than when the fungus was incubated alone. While co-incubation resulted in dramatic increase of conidial production, conidia germination delayed by either the bacterial strain or supernatant. These results suggest that certain factors produced by B. glumae induce conidial production and delay conidial germination in F. graminearum. To identify genes related to toxoflavin resistance in F. graminearum, we screened the transcriptional factor mutant library previously generated in F. graminearum [3] and identified one mutant that is sensitive to toxoflavin. We analyzed transcriptomes of the wild-type strain and the mutant strain under either absence or presence of toxoflavin through RNAseq. Expression level of total genes of 13,820 was measured by reads per kilobase per million mapped reads (RPKM). Under the criteria with more than two-fold changes, 1,440 genes were upregulated and 1,267 genes were down-regulated in wild-type strain than mutant strain in response to toxoflavin treatment. A comparison of gene expression profiling between the wild type and mutant through gene ontology analysis showed that genes related to metabolic process and oxidation-reduction process were highly enriched in the mutant strain. The data analyses will focus on elucidating the resistance mechanism of F. graminearum against toxoflavin and the interaction between the two pathogens in rice. Further evolutionary history will be traced through figuring out the gene function in populations and in other filamentous fungi.
Jung, Boknam;Park, Jungwook;Kim, Namgyu;Li, Taiying;Kim, Soyeon;Bartley, Laura E.;Kim, Jinnyun;Kim, Inyoung;Kang, Yoonhee;Yun, Ki-Hoon;Choi, Younghae;Lee, Hyun-Hee;Lee, Kwang Sik;Kim, Bo Yeon;Shon, Jong Cheol;Kim, Won Cheol;Liu, Kwang-Hyeon;Yoon, Dahye;Kim, Suhkman;Ji, Sungyeon;Seo, Young Su;Lee, Jungkwan
한국균학회소식:학술대회논문집
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2018.05a
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pp.33-33
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2018
Air-borne plant pathogenic fungus Fusarium graminearum and seed-borne plant pathogenic bacterium Burkholderia glumae are cause similar disease symptoms in rice heads. Here we showed that two pathogens frequently co-isolated in rice heads and F. graminearum is resistant to toxoflavin produced by B. glumae while other fungal genera are sensitive to the toxin. We have tried to clarify the resistant mechanism of F. graminearum against toxoflavin and the ecological reason of co-existence of the two pathogens in rice. We found that F. graminearum carries resistance to toxoflavin as accumulating lipid in fungal cells. Co-cultivation of two pathogens resulted in increased conidia and enhanced chemical attraction and attachment of the bacterial cells to the fungal conidia. Bacteria physically attached to fungal conidia, which protected bacterium cells from UV light and allowed disease dispersal. Chemotaxis analysis showed that bacterial cells moved toward the fungal exudation compared to a control. Even enhanced the production of phytotoxic trichothecene by the fungal under presence of toxoflavin and disease severity on rice heads was significantly increased by co-inoculation rather than single inoculation. This study suggested that the undisclosed potentiality of air-born infection of bacteria using the fungal spores for survival and dispersal.
Kim, Jinwoo;Kim, Suhyun;Yongsung Kang;Jang, Ji-Youn;Kim, Jung-Gun;Lim, Jae-Yoon;Kim, Minkyun;Ingyu Hwang
Proceedings of the Korean Society of Plant Pathology Conference
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2003.10a
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pp.66.1-66
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2003
The aim of this study was to characterize the interactions of rice and Burkholderia glumae, a causal agent of bacterial grain rot of rice, at molecular levels using whole genomic sequences and to identify genes important for pathogenicity and symptom development. To do these, we sequenced whole genome of the bacterium and constructed cosmid clone profiles. We generated pools of mutants using various transposons and determined mutation sites by sequencing rescued plasmids. We focused on studying toxoflavin biosynthetic genes, quorum sensing regulation, and Hrp type III protein secretion systems. We found that two possible operons consisting of five genes are involved in toxoflavin biosynthesis and their expression is regulated by quorum sensing and LysR-type regulator, ToxR. We have isolated the nn PAI of B. glumae and characterized by mutational analyses. The hrp cluster resembled most the putative Type III secretion systems of B. pseudomallei, which is the causative agent of melioidosis, a serious disease of man and animals. The Hrp PAI core region showed high similarity to that of Ralstonia solanacearum and Xanthomonas campestris, however some aspects were dissimilar.
Kim, Jieun;Mannaa, Mohamed;Kim, Namgyu;Lee, Chaeyeong;Kim, Juyun;Park, Jungwook;Lee, Hyun-Hee;Seo, Young-Su
The Plant Pathology Journal
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v.34
no.5
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pp.412-425
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2018
The Hfq protein is a global small RNA chaperone that interacts with regulatory bacterial small RNAs (sRNA) and plays a role in the post-transcriptional regulation of gene expression. The roles of Hfq in the virulence and pathogenicity of several infectious bacteria have been reported. This study was conducted to elucidate the functions of two hfq genes in Burkholderia glumae, a causal agent of rice grain rot. Therefore, mutant strains of the rice-pathogenic B. glumae BGR1, targeting each of the two hfq genes, as well as the double defective mutant were constructed and tested for several phenotypic characteristics. Bacterial swarming motility, toxoflavin production, virulence in rice, siderophore production, sensitivity to $H_2O_2$, and lipase production assays were conducted to compare the mutant strains with the wild-type B. glumae BGR1 and complementation strains. The hfq1 gene showed more influence on bacterial motility and toxoflavin production than the hfq2 gene. Both genes were involved in the full virulence of B. glumae in rice plants. Other biochemical characteristics such as siderophore production and sensitivity to $H_2O_2$ induced oxidative stress were also found to be regulated by the hfq1 gene. However, lipase activity was shown to be unassociated with both tested genes. To the best of our knowledge, this is the first study to elucidate the functions of two hfq genes in B. glumae. Identification of virulence-related factors in B. glumae will facilitate the development of efficient control measures.
Kim, Sunyoung;Park, Jungwook;Kim, Ji Hyeon;Lee, Jongyun;Bang, Bongjun;Hwang, Ingyu;Seo, Young-Su
The Plant Pathology Journal
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v.29
no.3
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pp.249-259
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2013
Burkholderia glumae causes rice grain rot and sheath rot by producing toxoflavin, the expression of which is regulated by quorum sensing (QS). The QS systems of B. glumae rely on N-octanoyl homoserine lactone, synthesized by TofI and its cognate receptor TofR, to activate the genes for toxoflavin biosynthesis and an IclR-type transcriptional regulator gene, qsmR. To understand genome-wide transcriptional profiling of QS signaling, we employed RNAseq of the wild-type B. glumae BGR1 with QS-defective mutant, BGS2 (BGR1 tofI::${\Omega}$) and QS-dependent transcriptional regulator mutant, BGS9 (BGR1 qsmR::${\Omega}$). A comparison of gene expression profiling among the wild-type BGR1 and the two mutants before and after QS onset as well as gene ontology (GO) enrichment analysis from differential expressed genes (DEGs) revealed that genes involved in motility were highly enriched in TofI-dependent DEGs, whereas genes for transport and DNA polymerase were highly enriched in QsmR-dependent DEGs. Further, a combination of pathways with these DEGs and phenotype analysis of mutants pointed to a couple of metabolic processes, which are dependent on QS in B. glumae, that were directly or indirectly related with bacterial motility. The consistency of observed bacterial phenotypes with GOs or metabolic pathways in QS-regulated genes implied that integration RNAseq with GO enrichment or pathways would be useful to study bacterial physiology and phenotypes.
Hosung Jeon;Jung Wook Yang;Donghwan Shin;Donggyu Min;Byung Joo Kim;Kyunghun Min;Hokyoung Son
The Plant Pathology Journal
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v.40
no.2
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pp.106-114
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2024
Fusarium head blight (FHB), predominantly caused by Fusarium graminearum and F. asiaticum, is a significant fungal disease impacting small-grain cereals. The absence of highly resistant cultivars underscores the need for vigilant FHB surveillance to mitigate its detrimental effects. In 2023, a notable FHB outbreak occurred in the southern region of Korea. We assessed FHB disease severity by quantifying infected spikelets and grains. Isolating fungal pathogens from infected samples often encounters interference from various microorganisms. We developed a cost-effective, selective medium, named BGT (Burkholderia glumae Toxoflavin) medium, utilizing B. glumae, which is primarily known for causing bacterial panicle blight in rice. This medium exhibited selective growth properties, predominantly supporting Fusarium spp., while substantially inhibiting the growth of other fungi. Using the BGT medium, we isolated F. graminearum and F. asiaticum from infected wheat and barley samples across Korea. To further streamline the process, we used a direct PCR approach to amplify the translation elongation factor 1-α (TEF-1α) region without a separate genomic DNA extraction step. Phylogenetic analysis of the TEF-1α region revealed that the majority of the isolates were identified as F. asiaticum. Our results demonstrate that BGT medium is an effective tool for FHB diagnosis and Fusarium strain isolation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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