根系共生菌对于提高植物生长和适逆性至关重要。镰刀菌（Fusarium）通常是作物和林木的重要病原菌,但研究表明镰刀菌也可以作为植物的内生菌且不引起明显病症,这表明镰刀菌可能存在两种营养方式:死体营养型（Necrotroph）和活体共生型（Biotrophe）。但是,目前对于内生镰刀菌如何促进植物生长和适应性的机制研究认识还十分有限。本论文在前期发现2株源于盐碱地植物的内生镰刀菌具有一定促生效应的基础上,以毛白杨（Populus tomentosa）为研究材料,旨在研究内生镰刀菌对毛白杨生长和耐盐性的调控效应,并在此基础上,通过比较基因组分析揭示内生镰刀菌发挥有益作用的遗传基础。研究结果为深入认识内生镰刀菌与植物互惠共生机制提供了理想模型和独特思路。主要研究成果如下:（1）研究了2株内生镰刀菌在毛白杨根系中的侵染结构特征。黄色镰刀菌（F.culmorum）Class2-1B和假禾谷镰刀菌（F.pseudograminearum）Class2-1C分离自盐碱地植物滨麦（Leymus mollis）根系,使用台盼蓝染色观察它们在毛白杨根系的侵染结构,发现它们都可以顺利进入根部的皮层细胞。菌种产生大量的菌丝进入细胞并定殖且在根尖处分布最密集,但是菌丝不进入木质部。更有趣的是,通过WGA-AF488-和碘化丙啶共染色观察发现Class2-1C侵染3周后,根系逐渐发育成具有菌套和哈蒂氏网等典型的外生菌根结构,也就表明内生假禾谷镰刀菌Class2-1C可能已经具备了外生菌根真菌的诸多特性（见后续内容）。这一重要发现可能将打破只有少数子囊菌（Ascomycota）,如块菌（Tuber spp.）和土生空团菌（Cenococcum geophilum）等才可与树木形成外生菌根的认知并进一步加深认识了镰刀菌的生态学功能。（2）2株内生镰刀菌对毛白杨的促生效应:研究了Class2-1B和Class2-1C对毛白杨无性系幼苗的生长调控效应。建立了毛白杨无性系幼苗和内生镰刀菌的无菌共培养体系,发现2株内生镰刀菌可以显著提高毛白杨幼苗的生物量、叶片叶绿素含量和净光合速率,尤其对根系生长发育具有明显的促进作用。与对照组相比,Class2-1B和Class2-1C接种的毛白杨分别提高了29.96%、133.43%的净光合速率,生物量分别提高了45.23%和64.29%,总根长分别提高了161.54%和62.29%,叶绿素含量分别增加了38.72%和112.20%。这些结果表明Class2-1B和Class2-1C对毛白杨幼苗具有显著的促生效应。（3）内生镰刀菌提高毛白杨幼苗的耐盐性:在加入100 mmol Na Cl的毛白杨-内生镰刀菌培养基中,研究内生镰刀菌Class2-1C对毛白杨幼苗的耐盐性影响。通过抗逆生理指标（叶绿色荧光和过氧化物酶等）的测定,发现在盐胁迫条件下,Class2-1C可以显著（P＜0.05）提高毛白杨幼苗净光合效率、暗适应态PSII最大光合效率、生物量积累以及抗氧化酶含量。与对照组相比,提高了毛白杨幼苗103.46%的净光合效率,提高了36.91%的暗适应态PSII最大光合效率,超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、可溶性糖含量和整株Na+/K+的比例分别提高了10.63%、82.06%、118.49%、53.09%,仅过氧化物酶（POD）降低了37.79%。上述结果表明Class2-1B和Class2-1C对毛白杨幼苗的耐盐性有一定的促进作用。（4）2株内生镰刀菌基因组结构特征:基于Illumina和Pac Bio测序平台,对2株内生镰刀菌进行了全基因组测序和组装注释,Class2-1B和Class2-1C分别含有6个和7个Scaffold,其中四个组装成4条染色体的基因组。每个Scaffold的N50大小分别为9.63 Mb、9.15 Mb,基因组大小分别为37.66 Mb、37.94 Mb,GC含量分别为47.4%、47.0%,预测的编码基因分别为11450个、11221个,平均每个基因长度分别为1653 bp、1633 bp,转座子大小分别为1.55 Mb、2.04 Mb。Class2-1B中的2个短Scaffold为线粒体基因组,总GC含量为31.2%。同样Class2-1C中的3个短Scaffold为线粒体基因组,总GC含量为34.6%。两个线粒体基因组都显示出大于98%的序列同源性,最终得到了Class2-1B和Class2-1C组装到染色体水平的高质量基因组,为后续比较基因组和适应性进化分析打下了基础。（5）2株内生镰刀菌结构变异比较分析:基于2株内生镰刀菌高质量的基因组,以同种病原镰刀菌（F.culmorum UK99和F.pseudograminearum CS30696）为参考基因组。通过基因组全局比对（Mummer中的DNAdiff）分析,发现F.culmorum Class2-1B和F.culmorum UK99、F.pseudograminearum Class2-1C和F.pseudograminearum CS30696的序列相似性为97.85%和95.00%,且具有较好的共线性。对Class2-1B和UK99、Class2-1C和CS30696的基因组进行结构变异分析,分别得到它们的SNP（single nucleotide polymorphism）变异位点为110479个、957305个,得到它们的非同义SNP（non single nucleotide polymorphism,SNP）突变的位点分别为80728个、11301个;分别得到插入和缺失（insertion-deletion,In Del）突变的数目为1923个、11455个,分别检测到拷贝数变异（Copy number variations,CNV）为660个、46个;鉴定出的大片段结构变异（Large Structural Variations,SVs）分别为1352个、1996个。然后对二者的非同义SNP变异的基因进行了基因本体论富集分析（Gene Ontology,GO enrichment）,发现Class2-1B富集到了与信号转导和物质运输相关的基因,Class2-1C同样富集到了与金属离子转运、转录因子以及生物膜相关的基因（P＜0.05）。我们又对镰刀菌两类重要毒素,脱氧雪腐镰刀菌烯醇（Deoxynivalenol,DON）和玉米赤霉烯酮（Zearalenone,ZEA）合成的基因簇结构进行比较分析,发现在Class2-1B基因组中缺失了合成DON毒素所必须的P450加氧酶（Tri11）和合成ZEA必需的乙醇氧化酶（ZEB1）。同样地,Class2-1C基因组中缺失了合成DON毒素的（Tri8）基因,并发现ZEA所有的毒素基因簇的转录方向都与病原菌CS3096相反。此外,在与病原菌交配型（Mating type）基因结构的比较中发现,Class2-1B与UK99并无差别都为同宗配合（包括MAT1-1-3,MAT1-2-3）,Class2-1C与CS3096均为异宗配合。比较分析发现,Class2-1C缺失MAT1-1-1、MAT1-1-2和MAT1-1-3基因,而多一个MAT1-2-3基因。上述结果表明,与病原镰刀菌相比,2株内生镰刀菌在全基因组层面发生了显著的结构变异,如大量的SVs、CNVs、In Dels、SNPs以及毒素基因簇,这些结构变异是导致Class2-1B和Class2-1C丧失毒力的重要原因。基于已经公布的24株镰刀菌基因组数据,进行了基因家族的进化分析（收缩和扩张）和功能富集分析,发现Class2-1B和Class2-1C显著收缩的基因家族功能主要为碳水化合物代谢和水解酶活性基因。Class2-1B中显著扩张的基因家族功能主要为4-氨基丁酸转氨酶活性、γ-氨基丁酸代谢过程、胆汁酸-钠转运蛋白活性和几丁质结合基因,Class2-1C中显著扩张的基因家族功能主要为辅酶A转移酶活性和微管运动活性相关基因。同时,还比较了镰刀菌碳水化合物酶家族（Carbohydrateactive enzymes,CAZYmes）和次生代谢产物基因簇（Secondary metabolites,SMs）以及效应蛋白（Effectors）的种类和数量,发现Class2-1B和Class2-1C碳水化合物酶家族数量均低于其他病原镰刀菌,尤其是与细胞壁降解相关（Plant cell wall degrading enzymes,PCWDEs）的糖苷水解酶（glycoside hydrolase,GH）较平均值分别减少了22.22%和22.57%;二者的次生代谢产物基因簇中Ⅰ型聚酮合酶（TypeⅠpolyketide synthase,T1PKS）较平均数也分别减少了78.17%和67.25%,而且二者都缺少吲哚类（Indole）次生代谢产物基因簇。Class2-1B和Class2-1C分别有3个（蛋白酶kex1、酪氨酸酶、过氧化氢酶-过氧化物酶）和4个（蛋白酶kex1、酪氨酸酶、富丝氨酸-苏氨酸酶、过氧化氢酶-过氧化物酶）效应蛋白（Effectors）。我们又分别构建了F.culmorum和F.pseudograminearum泛基因组,发现F.culmorum泛基因组呈开放式,而F.pseudograminearum呈现封闭式特征;发现Class2-1B和Class2-1C的附属（dispensable）基因和特有基因均比较少,而缺失基因比较多,于是Class2-1B和Class2-1C的缺失基因富集到了很多与水解酶活性和代谢过程相关的条目（P＜0.01）。上述结果可以看出,2株内生镰刀菌在重要的致病因子如PCWDEs、次生代谢（毒素）合成及效应蛋白基因数量方面均发生了显著的降低甚至丢失,这些特征与外生菌根真菌基因组特征和暗色有隔内生真菌极为类似,也进一步证明了共生真菌与植物建立共生过程中均经历了上述基因家族的趋同进化。（6）Class2-1B和Class2-1C适应性进化选择分析。重组分析表明,Class2-1C与其它8种病原菌有较远的亲缘关系,并且与病原菌无明显重复。但病原菌之间的交流却十分频繁,说明Class2-1C可能存在独立的进化方式。在正向选择分析中,Class2-1B和Class2-1C分别得到d N/d S的值为0.2956和0.1725,利用分支模型（Branch model）分别检测到1480个和665个基因处于正向选择。我们对得到的受到正向选择压力的基因进行了GO显著性富集分析（P＜0.05）,在Class2-1B富集到了大量与酶活性和G蛋白偶联受体活性相关的条目,其中G蛋白偶联受体活性（GO:0004930）占了受到强烈正向选择基因比例的14.59%。在Class2-1C中富集最多的是生物膜部分（包括类囊体膜,光合膜,质膜）和细胞死亡的调控相关条目,其中生物膜部分占了受到强烈正向选择基因比例的18.09%。表明与细胞壁有关的水解酶基因、信号转导和生物膜相关基因受到强烈的正向选择,这些基因对于Class2-1B和Class2-1C与杨树共生关系的维持十分重要。