近日，西北农林科技大学植保学院作物病原真菌功能基因组学研究团队在美国国家科学院院刊《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。
赤霉菌子囊壳形成和发育属于有性生殖过程，真菌有性生殖的起始及不同阶段间的转换依赖于膜受体所介导的分子识别和信号传导。在模式真菌酿酒酵母中，信息素受体感知信息素是有性发育的必要条件。然而，在赤霉菌（禾谷镰孢）的有性生殖过程中，信息素及其受体并非必需。是否存在其他受体控制着赤霉菌有性发育的起始及进行？课题组前期对禾谷镰孢所有GPCR进行了系统敲除，并鉴定到侵染相关的GPCR亚家族（Nature Microbiology, 2019）。该研究通过对大量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正常，却无子囊孢子释放。进一步对子囊壳发育进行全时期时空观察，该突变体子囊发育所必需的减数分裂无法发生。因此，该GPCR识别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。通过信号通路的持续激活，揭示了Gia1识别的信号是通过Gpmk1 MAPK信号通路在胞内实现传递的。
Gia1的功能在异宗交配的拟轮枝镰孢中同样保守。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。该旁系同源受体突变体子囊壳无法形成，将该受体命名为Gip1。Gip1和Gia1通过阶段特异性表达分别调控了子囊壳形成及子囊发育，有效保障了有性发育的有序发生。通过启动子、蛋白区段互换鉴定到决定受体间功能分化的关键区域。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。
该研究还对酵母系统进行改造，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，从而构建了高效的配体筛选系统。用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重要基础。
植保学院博士研究生丁明玉和已毕业博士曹淑琳为论文并列第一作者。江聪教授和美国普度大学J.R. 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
日期：2023-11-10
