Science | 有机酸与葡萄糖可诱导玉米黑粉菌繁殖，相关机制被揭示

撰文 | SHR

责编 | 王一

真菌是威胁人类健康、作物生产和粮食安全的一大类微生物，其中大多数与植物相关的菌根真菌或病原真菌都是专性活体营养型，它们需要从宿主获取营养而不能在宿主外生存繁衍【1】。以诱发玉米黑粉病的病原真菌—玉米黑粉菌（Ustilago maydis）为例，它可以在培养基中生长但是必须依赖宿主完成其生命周期的有性生殖阶段，即相容孢子结合形成侵入性细丝、效应蛋白传递、诱发“肿瘤”组织（叶片、叶耳和穗）以及在“肿瘤”组织中形成大量黑色孢子堆【2】。玉米黑粉病是一种世界性玉米病害，但是目前关于玉米黑粉菌增殖的养分需求特性仍知之甚少。

近日，加拿大University of British Columbia的James Kronstad团队的研究发现，玉米黑粉菌的生长即孢子形成与碳源密切相关，有机酸与葡萄糖组合可显著诱导这类真菌繁殖，并且该现象与黑色素形成的转录调控、有机酸转运蛋白、效应蛋白表达及线粒体功能有关。该研究结果以题为Organic acids and glucose prime late-stage fungal biotrophy in maize在线发表于Science。

通常，玉米黑粉菌会将“肿瘤”组织重编程为光合产物的“库”，从而利用包括碳水化合物和有机酸等在内的碳源【3】。鉴于C4玉米会将大部分碳固定在苹果酸中，研究人员假设有机酸的代谢适应是玉米黑粉菌活体营养增殖的关键，并在此基础上进行了试验探索。结果表明，在葡萄糖培养基中添加苹果酸（G+M）可显著刺激玉米黑粉菌增殖、培养基粘度增加（真菌胞外多糖的积累）且黑色素细胞积累，这暗示了玉米黑粉菌对苹果酸和葡萄糖的营养依赖性。鉴于此，研究人员从黑色素形成、有机酸转运蛋白、活体营养型效应蛋白以及线粒体功能/氧气的贡献四个方面开展研究以验证上述表型与玉米黑粉菌活体营养发育的相关性：

（1）首先，“肿瘤”中孢子黑色素的形成由漆酶 Lac1 和聚酮合酶 Pks1 催化【4】。转录分析结果显示，G+M条件下三个 pks 基因转录水平均显著提高。进一步对转录因子Mtf1（调节pks基因表达）以及Unh1（调节玉米黑粉菌孢子形成）的功能分析显示，G+M培养基中mtf1以及unh1缺失突变体形成的黑色素含量显著降低，且mtf1缺失突变体在玉米“肿瘤”组织中诱发的黑色素含量显著降低。这表明，玉米黑粉菌具有Lac1-Pks1依赖性黑色素合成途径并受到Mtf1 和 Unh1 调控。

（2）其次，研究人员通过对G+M条件下潜在二羧酸转运蛋白的转录分析，鉴定了两种与玉米黑粉菌生长相关的转运蛋白Jen2 和 Jen20。jen2 和 jen20缺失突变体导致玉米黑粉菌对玉米的毒力显著降低，表明获取有机酸的能力是玉米黑粉菌致病的关键。

（3）效应蛋白是抑制植物免疫并促进毒力发生的关键。研究人员发现，活体营养型效应蛋白相关基因的转录水平会响应碳源而升高，其中Eff1-1、Ten1和Rsp3等效应蛋白表现出对苹果酸的依赖而Afu3、See1和Pit2等效应蛋白则表现出对葡萄糖消耗的响应。同时，G+M还诱导了与病菌毒力、衣康酸、铁载体色素A以及黑色素合成以及代谢相关基因的表达，表明混合碳源会诱导玉米黑粉菌效应蛋白表达以及活体营养发育，从而促进毒力发生。

（4）真菌对宿主环境的代谢适应通常与其线粒体功能和氧传感有关【5】。研究人员通过不同碳源下的真菌转录组分析发现了线粒体功能相关基因的富集，并且大多数响应G+M上调的基因被注释为编码线粒体蛋白。同时，与电子传递链复合物 I 至 III中含 Fe-S 簇蛋白、替代氧化酶以及其他组分相关的转录本在 G+M 条件下升高，并且抑制电子传递链复合物会显著降低培养基粘度和黑色素含量。有趣的是，在 G+M 条件下增强通气（通过添加 β-葡聚糖酶以降低粘度）会导致黑色素的浓度依赖性减少，表明氧气在真菌繁殖中的负面作用。

最后，研究人员还测试了其他活体营养和半活体营养真菌的生长特性，发现G+M混合碳源也可以显著促进它们的增殖，表明这种碳源依赖性可能是（半）活体营养真菌的保守特征。

Carbon sources influence proliferation, extracellular polysaccharide, and melanin

综上所述，该研究表明有机酸和葡萄糖的组合触发了与玉米黑粉菌活体营养型繁殖相关的表型，并且这种响应与涉及活体营养相关性状的转录调控、特定转运蛋白以及线粒体功能等。研究结果还暗示了活体营养型真菌对宿主碳营养响应的保守性，极大促进了我们对活体营养型真菌养分需求特性的理解。

参考文献

【1】J. B. Ristaino et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 118, e2022239118 (2021)

【2】W. Zuo et al., Annu. Rev. Phytopathol. 57, 411–430 (2019)

【3】J. Kämper et al., Nature 444, 97–101 (2006)

【4】E. Islamovic et al., Mol. Plant Microbe Interact. 28, 42–54 (2015)

【5】B. Black, C. Lee, L. C. Horianopoulos, W. H. Jung, J. W. Kronstad, PLOS Pathog. 17, e1009661 (2021).

论文链接：

www.science.org/doi/10.1126/science.abo2401