小麥赤霉病是一種世界性的農作物真菌病害，在我國小麥產區廣泛發生。該病害的流行不僅引起小麥產量的大幅降低，同時由於發病籽粒中累積真菌毒素，因而也是人畜健康的重大威脅。小麥赤霉病的科學防控事關農業可持續發展和糧食食品安全。田間病殘體上越冬的子囊殼在春季溫濕度適宜條件下釋放子囊孢子，是赤霉病發生的主要初侵染源。近年來，氣候變化、耕作措施的改變在一定程度上為菌源的積累創造了條件，而田間菌源的增多也是赤霉病常年處於高發態勢的重要原因。因此，菌源控制是赤霉病防控的關鍵環節。
赤黴菌子囊殼形成和發育屬於有性生殖過程，真菌有性生殖的起始及不同階段間的轉換依賴於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，在赤黴菌（禾穀鐮孢）的有性生殖過程中，信息素及其受體並非必需。那麼，是否存在其他受體控制著赤黴菌有性發育的起始及進行？針對這一科學問題，西北農林科技大學作物病原真菌功能基因組學研究團隊在前期禾穀鐮孢膜受體系統功能研究（Jiang et al., 2019, Nature Microbiology）的基礎上，篩選到決定赤黴菌子囊殼形成及子囊發育的關鍵受體，並進一步揭示了其介導的信號傳導途徑，並對其所識別的階段特異性表達配體進行了探索。該研究於近日在美國國家科學院院刊《PNAS》上在線發表，題為「A non-pheromone GPCR is essential for meiosis and ascosporogenesis in the wheat scab fungus」，這一研究打破了對真菌有性生殖信號識別的傳統認知，為開發基於受體干擾的菌源控制技術提供了理論依據。
1發現控制子囊發育的關鍵受體並鑑定了其下游信號傳導途徑
通過對大量GPCR（G蛋白偶聯受體）突變體的表型鑑定，發現其中一個突變體的子囊殼形態大小均表現正常，但無法釋放出子囊孢子。進一步對該突變體的子囊殼發育進行全時期時空觀察，未觀察到子囊絲鉤形態的異常，然而子囊發育所必需的減數分裂無法發生，這是子囊孢子無法形成的根本原因。由此判斷該突變體對應的GPCR識別對應信號，是啟動減數分裂及子囊發育的必要條件，將該GPCR命名為Gia1。為了探明該受體傳遞信號並介導有性發育調控的方式，將胞內可能參與信號傳導的通路依次過激活，並轉入gia1 突變體中。結果發現僅Gpmk1 MAPK途徑的持續激活能回復gia1 突變體的有性生殖缺陷，這表明該通路作為Gia1 的下游，在Gia1感知信號後被激活，負責了信號在胞內的傳導以及對有性發育過程的調控。
2Gia1同源基因在真菌中的分布及功能保守性
信息素受體的作用在不同交配型的真菌中存在差異。禾穀鐮孢屬於同宗交配真菌，為了探明Gia1的功能是否受到交配型的影響，在異宗交配型真菌擬輪枝鐮孢中敲除了Gia1的同源基因。表型觀察結果顯示，突變體同樣出現了類似的子囊發育缺陷。這表明Gia1的功能在同宗、異宗交配性真菌中高度保守。研究還發現Gia1受體的同源蛋白僅在糞殼菌綱分布，且特異在肉座菌目中存在一個旁系同源受體。在禾穀鐮孢中對該旁系同源受體進行敲除，突變體呈現出比gia1突變體更為嚴重的缺陷，子囊殼完全無法形成，將該受體命名為Gip1 。分析Gip1 和Gia1編碼基因的表達模式，發現它們分別在有性生殖前期和後期特異表達，這與他們的作用時期恰好吻合。在模式絲狀真菌粗糙脈孢菌中，僅存在一個Gia1/Gip1 的同源蛋白，稱之為Gpr-1 受體。分別在禾穀鐮孢的gia1 和gip1 突變體中異源表達Gpr-1，發現表型均能得到一定程度的回覆。這說明Gpr-1同時承擔著Gia1 和Gip1在有性時期的功能。換句話說，在肉座菌目的真菌中，該類受體出現了階段特異性的功能分化。
3 決定Gia1和Gip1功能分化的分子基礎
為了探究決定Gia1 和Gip1 功能分化的序列及結構基礎，首先對Gia1 和Gip1的啟動子及蛋白編碼區進行互換，發現除了表達不同，蛋白編碼區域的差別也是導致這兩個受體功能分化的重要原因。進一步根據受體的特徵，分別置換兩個受體的氮端胞外區、三個胞外環、三個胞內環、以及碳端胞內區。結果顯示，氮端胞外區、第三個胞外環、第三個胞內環以及碳端胞內區的替換引起了兩個受體功能的缺陷，因此推斷這幾個區域是決定Gip1和Gia1 功能差異的關鍵區域。基於Alphafold2的結構預測，發現氮端胞外區和第三個胞外環在空間上高度接近，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。對這幾個區域的位點保守性及變異進行了分析，為後續進一步對具體位點進行功能驗證打下基礎。
4高效配體篩選系統的構建及配體的初步鑑定
作為一個全新的負責有性生殖的GPCR，對其配體展開鑑定是深入認識該受體工作機制的重要內容。但是在絲狀真菌有性生殖時期不易觀察、且調控網絡複雜，因此直接進行配體的高通量篩選難度較大。在該研究中，作者巧妙構建了酵母細胞的報告系統，將酵母信息素受體的胞外區替換成Gia1 胞外區，並將酵母中負責信息素響應的Fus1作為報告基因。該系統充分利用了酵母的胞內信號傳導以及Gia1的配體識別功能，實現了對配體的高效篩選。將禾穀鐮孢不同時期的提取物處理該系統，發現配體特異存在並高度富集於禾穀鐮孢子囊殼中。利用高溫滅活和蛋白酶處理後，信號消失，因此推斷該配體為蛋白質。有意思的是，研究還發現用gia1突變體的粗提物處理會觸發更強烈的信號，推測可能存在反饋調節。因此對比野生型和gia1 突變體的數據，鑑定到一批候選的膜蛋白和分泌蛋白，後續對這些蛋白的功能驗證有望獲得Gia1 所識別的配體。
禾穀鐮孢有性生殖關鍵受體的作用模式
西北農林科技大學植物保護學院江聰教授和美國普度大學Jin-Rong Xu教授為論文共同通訊作者，西北農林科技大學為第一完成單位。西北農林科技大學植物保護學院博士研究生丁明玉和課題組已畢業博士，江蘇省農業科學院植物保護研究所曹淑琳助理研究員為論文並列第一作者。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台為研究工作完成提供了重要技術支持。
西北農林科技大學江聰教授課題組長期圍繞小麥赤霉病開展研究，從病原菌的菌源形成、毒素調控以及與寄主互作等角度系統揭示赤霉病成災的分子機制，為可持續控制技術的開發打下理論基礎。近五年，該研究組的研究成果陸續在Nature Microbiology、Nature Communications、Molecular Plant、PNAS、New Phytologist、PLoS Pathogens、PLoS Genetics等權威期刊發表。
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https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313034120