近日，西北農林科技大學植保學院作物病原真菌功能基因組學研究團隊在美國國家科學院院刊《PNAS》上在線發表了題為“A non-pheromone GPCR is essential for meiosis and ascosporogenesis in the wheat scab fungus”的研究論文。該研究率先發現了對小麥赤霉菌有性生殖（初侵染源形成）所必需的新型非信息素依賴的G蛋白偶聯受體，揭示了其介導的信號傳導途徑以及在減數分裂發生和子囊孢子形成中的關鍵作用，打破了對真菌有性生殖信號識別的傳統認知，為開發基于受體干擾的菌源控制技術提供了理論依據。
赤霉菌子囊殼形成和發育屬于有性生殖過程，真菌有性生殖的起始及不同階段間的轉換依賴于膜受體所介導的分子識別和信號傳導。在模式真菌釀酒酵母中，信息素受體感知信息素是有性發育的必要條件。然而，在赤霉菌（禾谷鐮孢）的有性生殖過程中，信息素及其受體并非必需。是否存在其他受體控制著赤霉菌有性發育的起始及進行？課題組前期對禾谷鐮孢所有GPCR進行了系統敲除，并鑒定到侵染相關的GPCR亞家族（Nature Microbiology, 2019）。該研究通過對大量GPCR突變體的表型鑒定，發現其中一個突變體的子囊殼形態大小正常，卻無子囊孢子釋放。進一步對子囊殼發育進行全時期時空觀察，該突變體子囊發育所必需的減數分裂無法發生。因此，該GPCR識別信號是啟動減數分裂及子囊發育的必要條件，將該GPCR命名為Gia1。通過信號通路的持續激活，揭示了Gia1識別的信號是通過Gpmk1 MAPK信號通路在胞內實現傳遞的。
Gia1的功能在異宗交配的擬輪枝鐮孢中同樣保守。Gia1的進化分析顯示該受體僅在糞殼菌綱分布，且在肉座菌目中存在一個旁系同源受體。該旁系同源受體突變體子囊殼無法形成，將該受體命名為Gip1。Gip1和Gia1通過階段特異性表達分別調控了子囊殼形成及子囊發育，有效保障了有性發育的有序發生。通過啟動子、蛋白區段互換鑒定到決定受體間功能分化的關鍵區域。基于Alphafold2的結構預測，發現氮端胞外區和第三個胞外環在空間上接近，可能負責了對配體的識別，而第三個胞內環和碳端胞內區則介導了胞內的信號傳導。
該研究還對酵母系統進行改造，將酵母中負責信息素響應的Fus1作為報告基因，并巧妙的將酵母信息素受體的胞外區替換成Gia1胞外區，從而構建了高效的配體篩選系統。用禾谷鐮孢不同時期的提取物處理該系統，發現配體特異存在并高度富集于禾谷鐮孢子囊殼中。利用高溫滅活和蛋白酶處理后，信號消失，因此推斷該配體為蛋白質，這為后續配體的精準鑒定打下了重要基礎。
植保學院博士研究生丁明玉和已畢業博士曹淑琳為論文并列第一作者。江聰教授和美國普度大學J.R. Xu教授為論文共同通訊作者。劉慧泉教授、王秦虎副教授及課題組其他多名研究生也參與了該工作。該研究工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目資助。作物抗逆與高效生產全國重點實驗室實驗平臺為研究工作完成提供了重要技術支持。
全文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313034120
日期：2023-11-10
赤霉菌子囊殼形成和發育屬于有性生殖過程，真菌有性生殖的起始及不同階段間的轉換依賴于膜受體所介導的分子識別和信號傳導。在模式真菌釀酒酵母中，信息素受體感知信息素是有性發育的必要條件。然而，在赤霉菌（禾谷鐮孢）的有性生殖過程中，信息素及其受體并非必需。是否存在其他受體控制著赤霉菌有性發育的起始及進行？課題組前期對禾谷鐮孢所有GPCR進行了系統敲除，并鑒定到侵染相關的GPCR亞家族（Nature Microbiology, 2019）。該研究通過對大量GPCR突變體的表型鑒定，發現其中一個突變體的子囊殼形態大小正常，卻無子囊孢子釋放。進一步對子囊殼發育進行全時期時空觀察，該突變體子囊發育所必需的減數分裂無法發生。因此，該GPCR識別信號是啟動減數分裂及子囊發育的必要條件，將該GPCR命名為Gia1。通過信號通路的持續激活，揭示了Gia1識別的信號是通過Gpmk1 MAPK信號通路在胞內實現傳遞的。
Gia1的功能在異宗交配的擬輪枝鐮孢中同樣保守。Gia1的進化分析顯示該受體僅在糞殼菌綱分布，且在肉座菌目中存在一個旁系同源受體。該旁系同源受體突變體子囊殼無法形成，將該受體命名為Gip1。Gip1和Gia1通過階段特異性表達分別調控了子囊殼形成及子囊發育，有效保障了有性發育的有序發生。通過啟動子、蛋白區段互換鑒定到決定受體間功能分化的關鍵區域。基于Alphafold2的結構預測，發現氮端胞外區和第三個胞外環在空間上接近，可能負責了對配體的識別，而第三個胞內環和碳端胞內區則介導了胞內的信號傳導。
該研究還對酵母系統進行改造，將酵母中負責信息素響應的Fus1作為報告基因，并巧妙的將酵母信息素受體的胞外區替換成Gia1胞外區，從而構建了高效的配體篩選系統。用禾谷鐮孢不同時期的提取物處理該系統，發現配體特異存在并高度富集于禾谷鐮孢子囊殼中。利用高溫滅活和蛋白酶處理后，信號消失，因此推斷該配體為蛋白質，這為后續配體的精準鑒定打下了重要基礎。
植保學院博士研究生丁明玉和已畢業博士曹淑琳為論文并列第一作者。江聰教授和美國普度大學J.R. Xu教授為論文共同通訊作者。劉慧泉教授、王秦虎副教授及課題組其他多名研究生也參與了該工作。該研究工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目資助。作物抗逆與高效生產全國重點實驗室實驗平臺為研究工作完成提供了重要技術支持。
全文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313034120
日期：2023-11-10
