近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)植保學(xué)院作物病原真菌功能基因組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在美國國家科學(xué)院院刊《PNAS》上在線發(fā)表了題為“A non-pheromone GPCR is essential for meiosis and ascosporogenesis in the wheat scab fungus”的研究論文。該研究率先發(fā)現(xiàn)了對(duì)小麥赤霉菌有性生殖（初侵染源形成）所必需的新型非信息素依賴的G蛋白偶聯(lián)受體，揭示了其介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑以及在減數(shù)分裂發(fā)生和子囊孢子形成中的關(guān)鍵作用，打破了對(duì)真菌有性生殖信號(hào)識(shí)別的傳統(tǒng)認(rèn)知，為開發(fā)基于受體干擾的菌源控制技術(shù)提供了理論依據(jù)。
赤霉菌子囊殼形成和發(fā)育屬于有性生殖過程，真菌有性生殖的起始及不同階段間的轉(zhuǎn)換依賴于膜受體所介導(dǎo)的分子識(shí)別和信號(hào)傳導(dǎo)。在模式真菌釀酒酵母中，信息素受體感知信息素是有性發(fā)育的必要條件。然而，在赤霉菌（禾谷鐮孢）的有性生殖過程中，信息素及其受體并非必需。是否存在其他受體控制著赤霉菌有性發(fā)育的起始及進(jìn)行？課題組前期對(duì)禾谷鐮孢所有GPCR進(jìn)行了系統(tǒng)敲除，并鑒定到侵染相關(guān)的GPCR亞家族（Nature Microbiology, 2019）。該研究通過對(duì)大量GPCR突變體的表型鑒定，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)突變體的子囊殼形態(tài)大小正常，卻無子囊孢子釋放。進(jìn)一步對(duì)子囊殼發(fā)育進(jìn)行全時(shí)期時(shí)空觀察，該突變體子囊發(fā)育所必需的減數(shù)分裂無法發(fā)生。因此，該GPCR識(shí)別信號(hào)是啟動(dòng)減數(shù)分裂及子囊發(fā)育的必要條件，將該GPCR命名為Gia1。通過信號(hào)通路的持續(xù)激活，揭示了Gia1識(shí)別的信號(hào)是通過Gpmk1 MAPK信號(hào)通路在胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳遞的。
Gia1的功能在異宗交配的擬輪枝鐮孢中同樣保守。Gia1的進(jìn)化分析顯示該受體僅在糞殼菌綱分布，且在肉座菌目中存在一個(gè)旁系同源受體。該旁系同源受體突變體子囊殼無法形成，將該受體命名為Gip1。Gip1和Gia1通過階段特異性表達(dá)分別調(diào)控了子囊殼形成及子囊發(fā)育，有效保障了有性發(fā)育的有序發(fā)生。通過啟動(dòng)子、蛋白區(qū)段互換鑒定到?jīng)Q定受體間功能分化的關(guān)鍵區(qū)域?；贏lphafold2的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)氮端胞外區(qū)和第三個(gè)胞外環(huán)在空間上接近，可能負(fù)責(zé)了對(duì)配體的識(shí)別，而第三個(gè)胞內(nèi)環(huán)和碳端胞內(nèi)區(qū)則介導(dǎo)了胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)。
該研究還對(duì)酵母系統(tǒng)進(jìn)行改造，將酵母中負(fù)責(zé)信息素響應(yīng)的Fus1作為報(bào)告基因，并巧妙的將酵母信息素受體的胞外區(qū)替換成Gia1胞外區(qū)，從而構(gòu)建了高效的配體篩選系統(tǒng)。用禾谷鐮孢不同時(shí)期的提取物處理該系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)配體特異存在并高度富集于禾谷鐮孢子囊殼中。利用高溫滅活和蛋白酶處理后，信號(hào)消失，因此推斷該配體為蛋白質(zhì)，這為后續(xù)配體的精準(zhǔn)鑒定打下了重要基礎(chǔ)。
植保學(xué)院博士研究生丁明玉和已畢業(yè)博士曹淑琳為論文并列第一作者。江聰教授和美國普度大學(xué)J.R. Xu教授為論文共同通訊作者。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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。作物抗逆與高效生產(chǎn)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為研究工作完成提供了重要技術(shù)支持。
全文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313034120
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