PNAS | 西北农林科技大学研究团队发现控制小麦赤霉病菌源形成的关键受体

由禾谷镰孢等引起的小麦赤霉病是一种世界性的农作物真菌病害，不仅引起小麦产量的降低，其发生过程中积累的真菌毒素还严重威胁人畜健康，造成食品安全问题。禾谷镰孢以子囊壳的形式在田间越冬，次年春天条件适宜时，子囊壳发育成熟并喷发出子囊孢子至扬花期麦穗上，作为初侵染源起始侵染过程。有性生殖是禾谷镰孢生活史中具有重要地位，但是关于其如何在阶段特异性信号的指引下有序发生，目前尚不清楚。对有性生殖的认识是实现赤霉病菌源控制的理论基础。

近日，来自西北农林科技大学植物保护学院、作物抗逆与高效生产全国重点实验室的研究人员在PNAS上在线发表了题为“A non-pheromone GPCR is essential for meiosis and ascosporogenesis in the wheat scab fungus”的研究论文。该研究率先发现了对小麦赤霉菌有性生殖（初侵染源形成）所必需的新型非信息素依赖的G蛋白偶联受体，揭示了其介导的信号传导途径以及在减数分裂发生和子囊孢子形成中的关键作用，打破了对真菌有性生殖信号识别的传统认知，为开发基于受体干扰的菌源控制技术提供了理论依据。

在酿酒酵母等模式真菌中，有性生殖的起始依赖于信息素受体（属于G蛋白偶联受体，GPCR）对信息素的识别。然而在禾谷镰孢中，信息素受体并非有性发育所必需，表明存在其他GPCR主导对有性发育的控制。课题组前期研究中，对禾谷镰孢所有GPCR进行了系统敲除，并鉴定到侵染相关的GPCR亚家族（Nature Microbiology, 2019），这为后续研究打下了重要的基础。

该通过对大量GPCR突变体的表型鉴定，发现其中一个突变体的子囊壳形态大小均表现正常，但无法释放出子囊孢子。进一步对子囊壳发育进行全时期时空观察，该突变体虽然子囊丝钩形态正常，但是子囊发育所必需的减数分裂无法发生，这是子囊孢子无法形成的根本原因。由此判断该突变体对应的GPCR识别对应信号，是启动减数分裂及子囊发育的必要条件，将该GPCR命名为Gia1。真菌的胞内信号传导主要通过cAMP-PKA及MAPK信号通路实现。在gia1突变体中持续激活各条通路，仅Gpmk1 MAPK信号通路的过激活能恢复gia1，因此，Gia1识别信号后通过Gpmk1 MAPK信号通路实现了胞内信号的传递。

为了探明Gia1的功能是否受到交配型的影响，在异宗交配的拟轮枝镰孢敲除Gia1的同源基因，与同宗交配的禾谷镰孢呈现了一致的有性缺陷，表明Gia1的功能在同宗、异宗交配性真菌中高度保守。Gia1的进化分析显示该受体仅在粪壳菌纲分布，且在肉座菌目中存在一个旁系同源受体。对该旁系同源受体进行敲除，突变体呈现出比gia1突变体更为严重的缺陷，子囊壳完全无法形成，将该受体命名为Gip1。Gip1和Gia1分别在有性生殖前期和后期表达，分别特异调控了子囊壳形成及子囊发育，保证了有性发育的有序发生。通过启动子、蛋白区段互换，发现氮端胞外区、第三个胞外环、第三个胞内环以及碳端胞内区是决定Gip1和Gia1功能差异的关键区域。基于Alphafold2的结构预测，发现氮端胞外区和第三个胞外环在空间上接近，可能负责了对配体的识别，而第三个胞内环和碳端胞内区则介导了胞内的信号传导。

作为一个全新的负责有性生殖的GPCR，对其配体展开鉴定是深入认识该受体工作机制的重要内容。该研究利用酵母信息素受体传导途径相对单一的特点，将酵母中负责信息素响应的Fus1作为报告基因，并巧妙的将酵母信息素受体的胞外区替换成Gia1胞外区，构建了高效的配体筛选系统。将禾谷镰孢不同时期的提取物处理该系统，发现配体特异存在并高度富集于禾谷镰孢子囊壳中。利用高温灭活和蛋白酶处理后，信号消失，因此推断该配体为蛋白质，这为后续配体的精准鉴定打下了基础。

图 禾谷镰孢有性生殖关键受体的作用模式

西北农林科技大学植物保护学院博士研究生丁明玉和课题组已毕业博士，江苏省农业科学院植物保护研究所曹淑琳助理研究员为论文并列第一作者。西北农林科技大学植物保护学院江聪教授和美国普度大学Jin-Rong Xu教授为论文共同通讯作者。刘慧泉教授、王秦虎副教授及课题组其他多名研究生也参与了该工作。该研究工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。作物抗逆与高效生产全国重点实验室实验平台为研究工作完成提供了重要技术支持。

全文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313034120