微生物所在調(diào)控地衣型真菌形態(tài)轉(zhuǎn)變與共生方面獲得突破性進(jìn)展
小吳 / 2020-11-10 09:58:20
地衣作為先鋒生物，能夠風(fēng)化巖石形成土壤，在地球生態(tài)演替中發(fā)揮重要功能。地衣是一大類與綠藻或藍(lán)細(xì)菌共生的?；驼婢?，占自然界已知真菌數(shù)量的20%。系統(tǒng)進(jìn)化分析表明，地衣化和去地衣化在真菌進(jìn)化歷史上曾多次發(fā)生，共生的地衣與寄生、菌根及腐生真菌之間均具有較近的親緣關(guān)系。地衣是互惠共生的典范，也是揭示真菌進(jìn)化不可或缺的重要研究對象。但地衣如何實現(xiàn)菌藻識別并共生，其分子機(jī)制如何，由于缺乏地衣遺傳操作系統(tǒng)，這些問題一直懸而未決，地衣菌藻的人工重建及性狀的基因改造以及地衣生物技術(shù)的應(yīng)用也因此受到嚴(yán)重限制。
生長型在酵母態(tài)和菌絲態(tài)之間轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象在真菌中較為普遍，但是在地衣型真菌中僅發(fā)現(xiàn)放射盤石耳有此現(xiàn)象。本研究以放射盤石耳為研究材料，發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)脅迫和滲透壓脅迫可以導(dǎo)致該菌從酵母態(tài)轉(zhuǎn)變成假菌絲態(tài)；與其共生藻接觸也可以激發(fā)假菌絲的產(chǎn)生。添加外源cAMP及IBMX（促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)cAMP積累）可以誘導(dǎo)該菌發(fā)生明顯的組織分化，揭示cAMP信號傳導(dǎo)在調(diào)控形態(tài)轉(zhuǎn)變的重要作用。
圖1. 地衣體內(nèi)菌絲及藻細(xì)胞狀態(tài)，分離培養(yǎng)酵母態(tài)共生菌及誘導(dǎo)條件下假菌絲狀態(tài)
為了進(jìn)一步驗證調(diào)控機(jī)制，本研究將該菌編碼Gα亞基的Gpa3基因敲除，Gpa3敲除菌株在脅迫及共生藻的誘導(dǎo)條件下均不能產(chǎn)生假菌絲。而在添加IBMX條件下可以恢復(fù)產(chǎn)生假菌絲的表型，說明Gpa3基因位于cAMP信號上游并調(diào)控cAMP信號通路。顯性激活GPA3蛋白（GPA3Q208L）的突變菌株在誘導(dǎo)條件下顯示出更多的假菌絲分枝，但是在與共生藻接觸時不能維持穩(wěn)定的共生狀態(tài)，導(dǎo)致30%的藻細(xì)胞死亡。結(jié)果揭示Gpa3基因及cAMP信號傳導(dǎo)在調(diào)控共生平衡方面的重要作用。
圖2. 野生型和Gpa3敲除菌株與共生藻共同培養(yǎng)
圖3. 顯性激活GPA3蛋白不能維持穩(wěn)定共生狀態(tài)
本研究是首次真正意義上的對地衣型真菌基因進(jìn)行的功能研究，填補了地衣共生機(jī)制研究的空白，為地衣菌藻體外人工重建研究奠定了重要基礎(chǔ)。本研究被審稿人評價為“地衣共生領(lǐng)域一項革命性的工作”，由此改變了地衣領(lǐng)域的“游戲規(guī)則”。本項工作由中國科學(xué)院微生物研究所魏江春院士與美國普渡大學(xué)Jin-Rong Xu教授共同指導(dǎo)。相關(guān)成果已在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）雜志在線發(fā)表，題為“Coregulation of dimorphism and symbiosis by cyclic AMP signaling in the lichenized fungus Umbilicaria muhlenbergii”。中國科學(xué)院微生物研究所助理研究員王延延為論文第一作者，普渡大學(xué)的Jin-Rong Xu教授為論文的通訊作者。魏江春課題組的魏鑫麗項目研究員及Jin-Rong Xu團(tuán)隊的卞祝筠博士生也參與該研究并作出重要貢獻(xiàn)。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家留學(xué)基金委及普渡研究生基金的資助。
論文地址：https://www.pnas.org/content/early/2020/08/31/2005109117