Silencing of transposable elements (TEs) is essential for maintaining genome stability. Plants use small RNAs (sRNAs) to direct DNA methylation to TEs (RNA-directed DNA methylation; RdDM). Similar mechanisms of epigenetic silencing in the fungal kingdom have remained elusive. We use sRNA sequencing and methylation data to gain insight into epigenetics in the dikaryotic fungus Puccinia graminis f. sp. tritici (Pgt), which causes the devastating stem rust disease on wheat. We use Hi-C data to define the Pgt centromeres and show that they are repeat-rich regions (~250 kb) that are highly diverse in sequence between haplotypes and, like in plants, are enriched for young TEs. DNA cytosine methylation is particularly active at centromeres but also associated with genome-wide control of young TE insertions. Strikingly, over 90% of Pgt sRNAs and several RNAi genes are differentially expressed during infection. Pgt induces waves of functionally diversified sRNAs during infection. The early wave sRNAs are predominantly 21 nts with a 5′ uracil derived from genes. In contrast, the late wave sRNAs are mainly 22-nt sRNAs with a 5′ adenine and are strongly induced from centromeric regions. TEs that overlap with late wave sRNAs are more likely to be methylated, both inside and outside the centromeres, and methylated TEs exhibit a silencing effect on nearby genes. We conclude that rust fungi use an epigenetic silencing pathway that might have similarity with RdDM in plants. The Pgt RNAi machinery and sRNAs are under tight temporal control throughout infection and might ensure genome stability during sporulation.

中文翻译：

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茎锈菌 Puccinia graminis f. sp. 小麦在晚期感染期间诱导与全基因组 DNA 甲基化相关的着丝粒小 RNA

转座因子 (TE) 的沉默对于维持基因组稳定性至关重要。植物使用小 RNA (sRNA) 将 DNA 甲基化引导至 TE（RNA 指导的 DNA 甲基化；RdDM）。真菌界中表观遗传沉默的类似机制仍然难以捉摸。我们使用 sRNA 测序和甲基化数据来深入了解双核真菌 Puccinia graminis f 的表观遗传学。sp. 小麦 (Pgt)，它会导致小麦发生毁灭性的茎锈病。我们使用 Hi-C 数据来定义 Pgt 着丝粒，并表明它们是富含重复序列的区域 (~250 kb)，在单倍型之间的序列高度多样化，并且像在植物中一样，富含年轻的 TE。DNA 胞嘧啶甲基化在着丝粒处特别活跃，但也与年轻 TE 插入的全基因组控制有关。引人注目的是，超过 90% 的 Pgt sRNA 和几种 RNAi 基因在感染过程中差异表达。Pgt 在感染期间诱导功能多样化的 sRNA 波。早期的 sRNA 主要是 21 nts，带有来自基因的 5' 尿嘧啶。相比之下，晚波 sRNA 主要是具有 5' 腺嘌呤的 22-nt sRNA，并且是从着丝粒区域强烈诱导的。与晚波 sRNA 重叠的 TEs 更有可能在着丝粒内部和外部被甲基化，并且甲基化的 TEs 对附近的基因表现出沉默效应。我们得出结论，锈菌使用的表观遗传沉默途径可能与植物中的 RdDM 相似。Pgt RNAi 机制和 sRNA 在整个感染过程中都受到严格的时间控制，并可能确保孢子形成过程中基因组的稳定性。Pgt 在感染期间诱导功能多样化的 sRNA 波。早期的 sRNA 主要是 21 nts，带有来自基因的 5' 尿嘧啶。相比之下，晚波 sRNA 主要是具有 5' 腺嘌呤的 22-nt sRNA，并且是从着丝粒区域强烈诱导的。与晚波 sRNA 重叠的 TEs 更有可能在着丝粒内部和外部被甲基化，并且甲基化的 TEs 对附近的基因表现出沉默效应。我们得出结论，锈菌使用的表观遗传沉默途径可能与植物中的 RdDM 相似。Pgt RNAi 机制和 sRNA 在整个感染过程中都受到严格的时间控制，并可能确保孢子形成过程中基因组的稳定性。Pgt 在感染期间诱导功能多样化的 sRNA 波。早期的 sRNA 主要是 21 nts，带有来自基因的 5' 尿嘧啶。相比之下，晚波 sRNA 主要是具有 5' 腺嘌呤的 22-nt sRNA，并且是从着丝粒区域强烈诱导的。与晚波 sRNA 重叠的 TEs 更有可能在着丝粒内部和外部被甲基化，并且甲基化的 TEs 对附近的基因表现出沉默效应。我们得出结论，锈菌使用的表观遗传沉默途径可能与植物中的 RdDM 相似。Pgt RNAi 机制和 sRNA 在整个感染过程中都受到严格的时间控制，并可能确保孢子形成过程中基因组的稳定性。相比之下，晚波 sRNA 主要是具有 5' 腺嘌呤的 22-nt sRNA，并且是从着丝粒区域强烈诱导的。与晚波 sRNA 重叠的 TEs 更有可能在着丝粒内部和外部被甲基化，并且甲基化的 TEs 对附近的基因表现出沉默效应。我们得出结论，锈菌使用的表观遗传沉默途径可能与植物中的 RdDM 相似。Pgt RNAi 机制和 sRNA 在整个感染过程中都受到严格的时间控制，并可能确保孢子形成过程中基因组的稳定性。相比之下，晚波 sRNA 主要是具有 5' 腺嘌呤的 22-nt sRNA，并且是从着丝粒区域强烈诱导的。与晚波 sRNA 重叠的 TEs 更有可能在着丝粒内部和外部被甲基化，并且甲基化的 TEs 对附近的基因表现出沉默效应。我们得出结论，锈菌使用的表观遗传沉默途径可能与植物中的 RdDM 相似。Pgt RNAi 机制和 sRNA 在整个感染过程中都受到严格的时间控制，并可能确保孢子形成过程中基因组的稳定性。我们得出结论，锈菌使用的表观遗传沉默途径可能与植物中的 RdDM 相似。Pgt RNAi 机制和 sRNA 在整个感染过程中都受到严格的时间控制，并可能确保孢子形成过程中基因组的稳定性。我们得出结论，锈菌使用的表观遗传沉默途径可能与植物中的 RdDM 相似。Pgt RNAi 机制和 sRNA 在整个感染过程中都受到严格的时间控制，并可能确保孢子形成过程中基因组的稳定性。