西北农林科技大学 植物保护学院

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许金荣教授团队解析小麦赤霉病发生过程中的分子识别和信号传导机制

作者:江聪   来源:科研办   发布日期:2019-06-04  浏览次数:

       禾谷镰刀菌是引起小麦赤霉病的主要致病菌,除了造成小麦减产,其分泌的脱氧雪腐镰刀菌烯醇等真菌毒素还可污染小麦及小麦制品,威胁人畜健康。禾谷镰刀菌侵染过程的启动依赖于对寄主的识别。禾谷镰刀菌对小麦的识别依赖其细胞膜上的受体,然而目前关于病原真菌膜受体识别的分子机制还不够清楚。GPCR是一大类膜蛋白受体的统称,可能参与了禾谷镰刀菌侵染时期的分子识别。目前有超过30%的临床药物是以人类的GPCR为靶点研制的,却没有针对病原真菌GPCR设计的抗真菌剂,可见在真菌GPCR的研究领域还有很大的空间和前景。

       2019年6月3日,我院许金荣教授团队以长文形式在Nature子刊、微生物领域权威期刊Nature Microbiology(IF=14.174)上发表了题为An expanded subfamily of G-protein-coupled receptor genes in Fusarium graminearum required for wheat infection的研究论文,系统性阐述了禾谷镰刀菌侵染过程中GPCR介导的分子识别和信号传导机制,并发现禾谷镰刀菌中存在一类扩张的GPCR亚家族,该亚家族成员主要在侵染阶段特异表达。

       在该研究中,许金荣团队对禾谷镰刀菌的105个GPCR基因进行了系统敲除,发现其中的3个是禾谷镰刀菌负责识别小麦穗的关键GPCR。其中Giv1主要负责对植物表面的识别并调控了侵染结构的形成,而Giv2和Giv3则主要识别植物组织内部物质,调控侵染菌丝的分化及扩展。氯仿相的花器官提取物会通过Giv1介导禾谷镰刀菌菌丝的向性生长,且Giv1识别小麦穗组织后激活下游cAMP-PKA和Gpmk1信号通路。

图1 三个致病染相关的GPCR对禾谷镰刀菌侵染小麦过程的调控

       虽然禾谷镰刀菌含有多达105个GPCR,但是直接参与侵染调控的都聚类在一个含22个成员的GPCR亚家族中。通过同源分析发现,这个GPCR亚家族中,只有3个成员在稻瘟菌和粗糙脉胞菌中均能找到同源基因,说明该亚家族在禾谷镰刀菌中出现了扩张。表达模式的数据分析显示该亚家族的多数成员为侵染时期特异表达,且几乎都位于快速基因组区,表明该亚家族参与了禾谷镰刀菌的侵染过程并受到了强烈的选择压。因而将其命名为EIG(for expanded infection-related GPCR genes)亚家族。研究者在EIG家族成员启动子区域中发现了一个保守的基序,这一基序直接介导了EIG亚家族成员在侵染时期的转录。

图2 禾谷镰刀菌中扩张出的侵染相关GPCR亚家族

       植保学院江聪副研究员为该论文的第一作者,许金荣教授为该论文的通讯作者。刘慧泉研究员、王秦虎副研究员、王光辉助理研究员以及多名研究生也参与了该研究。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、西北农林科技大学“双一流”旱区作物与逆境生物学学科群、仲英青年学者等项目的资助。