New Phytol | 高变异表型组数据库揭示W...

来源：市场资讯

（来源：小麦研究联盟）

WD40蛋白是真核生物中最丰富的蛋白质家族之一，其特征是含有由40-60个氨基酸组成的重复序列，通常以色氨酸（W）和天冬氨酸（D）双肽结尾。这些重复序列折叠成四股反平行的-折叠，多个这样的“叶片”（blade）围绕中心轴排列，形成特征性的-螺旋桨（-propeller）结构。WD40蛋白通常不具备催化活性，而是作为支架平台参与蛋白质-蛋白质相互作用（PPI），从而调控信号转导、基因表达、细胞周期和蛋白降解等多种生物学过程。

禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）是一种极具破坏性的植物病原真菌，引起小麦和大麦的赤霉病（FHB）以及玉米的穗腐病。它不仅造成严重的产量损失，还会产生脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）和玉米赤霉烯酮（ZEA）等真菌毒素，威胁人类和牲畜的健康。尽管WD40蛋白具有重要的功能潜力，但在丝状真菌，特别是植物病原真菌中，其基因组水平的功能解析仍然匮乏。

首尔大学的 Hokyoung Son 团队与韩国科学技术研究院（KIST）的 Dae-Geun Song 团队在 New Phytologist 发表了题为“High-variance phenome database reveals important roles of WD40 proteins in the plant pathogenic fungus Fusarium graminearum”的论文，揭示了禾谷镰刀菌WD40蛋白家族在生长、发育及致病过程中的广泛功能。研究团队构建了包含119个非必需WD40基因的缺失突变体库，通过跨越22个表型特征的系统性表型组分析，确立了核心WD40基因集，并结合蛋白质组学和结构预测解析了WD40蛋白介导的复杂相互作用网络。

主要研究结果介绍

1. 禾谷镰刀菌WD40基因家族的鉴定与分类

研究者从FungiDB数据库中鉴定出157个编码WD40结构域的基因。系统发育分析显示，这些蛋白可分为六个主要簇（图1a）。根据其结构域组成，157个蛋白被进一步划分为16个类别，其中第1类仅包含WD40结构域，其余类别则含有额外的功能结构域，如NACHT或结构域（图1d）。基因组分布显示，1号染色体上的WD40基因密度最高（图1b）。

2. WD40基因缺失突变体库的构建与必需基因鉴定

研究团队尝试敲除所有157个WD40基因，最终成功获得119个非必需基因的缺失突变体。其余33个基因无法获得突变体，且其中29个与酿酒酵母中的必需基因同源，提示这些基因为禾谷镰刀菌维持生命或正常生长所必需（图5）。

3. WD40蛋白对营养生长和分生孢子发育的影响

在119个突变体中，有27个表现出营养生长速度下降，5个表现出菌丝形态异常，如产生球状或不规则的菌丝顶端（图2b, c）。在无性发育方面，WD40蛋白表现出极大的功能多样性：突变体按产孢量被分为5组，其中11个突变体产孢量极低。此外，一些突变体表现出分生孢子形态的变化，例如产生较短且隔膜较少的孢子，而产生的孢子则比野生型更长（图2e）。

4. WD40蛋白在有性生殖和致病力中的核心作用

表型组分析重点考察了有性生殖过程，包括子囊壳的形成、成熟以及子囊孢子的喷射。34个突变体在有性发育过程中表现出缺陷，其中22个突变体完全丧失了产生子囊壳的能力（自交不育）。通过异交实验进一步发现，大多数自交不育突变体保留了雄性能本，但表现出雌性能本受损（图3）。

在致病力评价中，37个突变体对小麦穗的毒力显著降低。研究者观察到，毒力降低的突变体通常伴随着生长缓慢或有性发育障碍。特别是那些在有性生殖和毒力上均表现出严重缺陷的基因，被定义为“核心WD40基因”（图5）。

5. 真菌毒素产生的调控

WD40蛋白还参与了次生代谢产物的调控。48个突变体的ZEA产量发生改变，38个突变体的DON产量发生改变。有趣的是，所有DON产量下降的突变体均属于毒力严重削弱的群体（致病力第1组）和有性发育障碍群体（图4e）。

6. 蛋白质相互作用网络（PPI）的解析

为了探索WD40蛋白的分子机制，研究者选择了两个核心蛋白 Fgwd101 (Sec13同源物) 和 Fgwd133 (Eed同源物) 进行亲和纯化-质谱（AP-MS）分析。

• Fgwd101通路： 鉴定出Fgwd072（Sec31）为其主要相互作用伙伴，两者共同构成COPII囊泡包被结构。

• Fgwd133通路： 发现其与隔蛋白（Septin）复合体（Cdc3, 10, 11, 12）存在密切关联（图6）。 通过Co-IP和酵母双杂交（Y2H）实验验证了这些相互作用。

7. WD40“叶片”的功能特异性验证

利用AlphaFold2-Multimer预测蛋白质相互作用界面，研究者发现Fgwd101的第6个叶片（blade 6）是与Fgwd072结合的关键区域。实验表明，缺失第6个叶片的 Fgwd101 变体无法恢复 突变体的生长和毒力缺陷。类似地，核心WD40蛋白 Fgwd048 的第2个叶片被证明是其与自噬蛋白 Atg2 相互作用的关键，该叶片的缺失导致了自噬功能的丧失（图7）。

全文总结与展望

本研究通过建立禾谷镰刀菌WD40基因家族的系统性表型组数据库，揭示了该蛋白家族在植物病原真菌生命周期中的多重角色。研究不仅明确了WD40蛋白在调节营养生长、产孢、有性生殖、毒素合成和致病力方面的广泛参与，还通过结构生物学手段证明了WD40螺旋桨结构中特定“叶片”对介导特定蛋白相互作用的重要性。这一高变异表型数据库为进一步研究丝状真菌中蛋白质支架的功能及其作为抗真菌靶点的潜力奠定了坚实基础。

研究团队与资助信息

该研究由首尔大学 Hokyoung Son（通讯作者）和韩国科学技术研究院（KIST）Dae-Geun Song（通讯作者）团队合作完成。Soyoung Choi 和 Nahyun Lee 为共同第一作者。研究得到了韩国农林食品技术企划院（IPET）农林畜产食品部（MAFRA）、韩国研究财团（NRF）以及韩国科学技术研究院（KIST）Grand Challenge项目的资助。

DOI链接：10.1111/nph.71547