中科院微生物所在調控地衣型真菌形態轉變與共生方面獲得突破性進展

2020-12-06 中國科學院微生物所

地衣作為先鋒生物，能夠風化巖石形成土壤，在地球生態演替中發揮重要功能。地衣是一大類與綠藻或藍細菌共生的專化型真菌，佔自然界已知真菌數量的20%。

系統進化分析表明，地衣化和去地衣化在真菌進化歷史上曾多次發生，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係。地衣是互惠共生的典範，也是揭示真菌進化不可或缺的重要研究對象。但地衣如何實現菌藻識別並共生，其分子機制如何，由於缺乏地衣遺傳作業系統，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的應用也因此受到嚴重限制。

生長型在酵母態和菌絲態之間轉變的現象在真菌中較為普遍，但是在地衣型真菌中僅發現放射盤石耳有此現象。本研究以放射盤石耳為研究材料，發現營養脅迫和滲透壓脅迫可以導致該菌從酵母態轉變成假菌絲態；與其共生藻接觸也可以激發假菌絲的產生。添加外源cAMP及IBMX（促進細胞內cAMP積累）可以誘導該菌發生明顯的組織分化，揭示cAMP信號傳導在調控形態轉變的重要作用。

圖1. 地衣體內菌絲及藻細胞狀態，分離培養酵母態共生菌及誘導條件下假菌絲狀態

為了進一步驗證調控機制，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條件下均不能產生假菌絲。而在添加IBMX條件下可以恢復產生假菌絲的表型，說明Gpa3基因位於cAMP信號上遊並調控cAMP信號通路。顯性激活GPA3蛋白（GPA3Q208L）的突變菌株在誘導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定的共生狀態，導致30%的藻細胞死亡。結果揭示Gpa3基因及cAMP信號傳導在調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

圖3. 顯性激活GPA3蛋白不能維持穩定共生狀態

本研究是首次真正意義上的對地衣型真菌基因進行的功能研究，填補了地衣共生機制研究的空白，為地衣菌藻體外人工重建研究奠定了重要基礎。本研究被審稿人評價為「地衣共生領域一項革命性的工作」，由此改變了地衣領域的「遊戲規則」。

本項工作由中國科學院微生物研究所魏江春院士與美國普渡大學Jin-Rong Xu教授共同指導。相關成果已在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）雜誌在線發表，題為「Coregulation of dimorphism and symbiosis by cyclic AMP signaling in the lichenized fungus Umbilicaria muhlenbergii」。

中國科學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團隊的卞祝筠博士生也參與該研究並作出重要貢獻。本研究得到了國家自然科學基金、國家留學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

相關焦點

  • 魏江春院士組在調控地衣型真菌形態轉變與共生方面取得重要進展
    PNAS | 魏江春院士課題組在調控地衣型真菌形態轉變與共生方面取得重要進展BioArt植物 今天來源 | 中科院微生物所網站地衣是一大類與綠藻或藍細菌共生的專化型真菌，佔自然界已知真菌數量的20%。系統進化分析表明，地衣化和去地衣化在真菌進化歷史上曾多次發生，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係。地衣是互惠共生的典範，也是揭示真菌進化不可或缺的重要研究對象。
  • 微生物所等在調控地衣型真菌形態轉變與共生方面獲進展
    地衣作為先鋒生物，能夠風化巖石形成土壤，在地球生態演替中發揮重要功能，是一大類與綠藻或藍細菌共生的專化型真菌，佔自然界已知真菌數量的20%。系統分析表明，地衣化和去地衣化在真菌進化歷史上曾多次發生，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係。
  • 魏江春院士課題組在地衣型真菌系統學研究方面獲得重要進展
    地衣是由一種地衣型真菌和相應的藻類或藍細菌組成的穩定共生生態系統。作為先鋒生物，地衣在乾熱、寒冷、高海拔、強光照等極端惡劣的環境下歷經長期演化形成了其獨特的適應能力。葉上衣目地衣型真菌（Strigulales）為典型的葉生地衣，主要生長於熱帶地區的樹葉上，是一類特殊生境的地衣資源。因其分布範圍廣而成為熱帶地區最具代表性的葉生物種，同時也是為數不多隸屬於座囊菌綱的地衣型真菌。對特殊生境來源的地衣進行收集和深入認識，對於充分發掘利用未知地衣物種的應用潛力及加強生物資源的儲備非常重要。
  • 2020.9.8 星期二 中科院最新科研、科技動態
    科研進展1、福建物構所無金屬紫外非線性光學晶體研究獲進展2、聲學所提出基於分步反演的近井壁地層波速徑向層析成像方法3、研究發現青藏高原硝酸鹽氣溶膠生成機制及來源的同位素證據4、科學家發現一種新型發光真菌
  • 調控微生物-昆蟲共生關係動態變化信號分子研究獲進展
    調控微生物-昆蟲共生關係動態變化信號分子研究獲進展 2017-12-01 動物研究所 【字體這些微生物與昆蟲間緊密的互利共生關係顯著提高了昆蟲的適應性；同時，也存在資源上的競爭，形成相互拮抗作用。在這種共生體系中，微生物與昆蟲的關係處於動態變化中，但是在自然生態系統中，調控這種動態變化的信號分子的相關研究報導還不多。　　紅脂大小蠹是一種源自美國的重大林業外來入侵害蟲。
  • 中科院昆明植物所在擔子地衣系統分類研究方面取得進展—新聞...
    中科院昆明植物所在擔子地衣系統分類研究方面取得進展
  • 中科院微生物所孔照勝團隊在共生互作界面形成與調控機制方面取得...
    根瘤中的共生體(Symbiosome)是共生細胞中一種特殊的細胞器，也是最基本的固氮單元。共生體是由類菌體(Bacteroids)和一層植物起源的共生體膜結構共同組成。目前對於豆科植物與根瘤菌的早期侵染及根瘤器官發生的信號傳導方面的研究較為清楚，但對共生互作界面(Symbiotic interface)形成的調控機制卻知之甚少，特別是對共生體膜（約為細胞質膜面積的幾十倍）的快速擴張機制還不清楚。
  • 首都科學講堂第672期《「它」改變了人類歷史——漫談真菌世界》
    當線蟲鑽入真菌形成的環形圈套中，由真菌細胞構成的環狀結構立即膨大，將線蟲死死地卡住，然後從線蟲中獲得所需的營養。　　我國是利用真菌最早的國家，在食品、醫藥、釀造等方面很早就有記載。早在新石器時代，我國就能夠利用真菌發酵來釀酒。東漢末年的《神農本草經》記載了12種真菌藥物，根據它們的形態、色澤、功能進行分類，並且論述了它們的藥性，其中茯苓、雷丸、紫芝、木耳等至今仍在沿用。
  • 根瘤菌與豆科植物共生互作界面形成與調控機制方面取得進展
    目前對於豆科植物與根瘤菌的早期侵染及根瘤器官發生的信號傳導方面的研究較為清楚，但對共生互作界面(Symbiotic interface)形成的調控機制卻知之甚少，特別是對共生體膜（約為細胞質膜面積的幾十倍）的快速擴張機制還不清楚。
  • 昆明植物所首次成功培養地衣型子囊菌
    昆明植物所首次成功培養地衣型子囊菌，將帶動該所地衣生物學研究躋身於國際前沿，地衣型真菌的活體保存是KUN館藏標本多樣性的又一體現，有利於提升KUN館藏標本的管理水平，特別對我國西南地區豐富的地衣資源多樣性、特有和瀕危地衣物種的活體保存有著重要意義。
  • 第八屆全國地衣生物學研討會在昆明植物研究所舉行
    央廣網昆明8月3日消息 (記者李健飛）為促進地衣生物學的發展、展示科研隊伍水平，加強中國地衣學家相互合作與交流，中國菌物學會地衣學專業委員會於2017年8月1日至8月5日以「中國地衣研究新進展」為主題的第八屆全國地衣生物學研討會在中國科學院昆明植物研究所召開。研討會由中國菌物學會地衣專業委員會主辦、昆明植物所承辦。
  • 你所不知道的地衣
    地衣具有多種顏色、多樣生長型和特殊的內部構造。只有藻類和菌類處於共生狀態，兩者相依為命，才能成為地衣。國外的科學家稱地衣共生菌和共生藻的這種關係為partner，即某種特定的藻類一定是跟某種真菌共生為partner，它們具有高度的專一性，就像大自然配對好一樣，這種專一性是不可替代的。大多數情況下，一種共生菌只與一種特定的共生藻生活，少數共生菌也可同時與一種以上的共生藻建立共生關係。
  • 微生物所在合成生物學調控元件定量及其先進生物製造應用方面獲進展
    絲狀微生物（真菌及放線菌等）是次級代謝產物的主要來源，約有90%的已知抗生素由這類微生物產生，其中三分之二以上是由以鏈黴菌為代表的放線菌產生的。原核的鏈黴菌基因組比真核的酵母菌還要大，基因還要多，其中三分之二的基因參與調控過程。
  • 菌絲內生細菌及其宿主真菌共生體系研究進展
    4026.2020.04.006摘要： 微生物共生普遍存在於自然界中有些細菌駐留在真菌菌絲內部，藉以調控真菌的生長、發育、分布和次級代謝過程，這些細菌被稱為菌絲內生細菌（endohyphal bacteria, EHB）。EHB的研究揭開了微生物生態學的一個新篇章，是真菌與細菌共生關係中最緊密的代表。在逆境條件下，EHB可以調節寄主生殖機制相關的關鍵成分或步驟，誘導植物激素類物質的產生，對寄主真菌具有輔助性保護作用。
  • 中科院最新科研進展、科技動態 2020.9.28 星期一
    科研進展1、生態中心在顆粒物毒理方面取得進展4、微生物所等在地衣型真菌系統學研究中獲進展5、深圳先進院等發表仿生智能驅動器研究綜述文章 6、南海海洋所等在西太潛標觀測的海流資料同化研究中獲進展7、東北地理所等發表氣孔響應CO2升高和乾旱脅迫研究綜述文章
  • 天津工生所在微生物代謝調控技術研究中取得進展
    代謝調控技術是構建微生物細胞工廠的重要技術手段，構建高效平衡的代謝途徑能夠抑制副產物或者中間產物的積累，提高目標化合物產量。　　中國科學院天津工業生物技術研究所研究員張學禮帶領的微生物代謝工程研究團隊和研究員畢昌昊帶領的代謝工程與合成生物學技術研究團隊合作，在微生物代謝調控技術方面取得新進展。
  • 中科院上海生命科學研究院植物生理生態研究所研究員王二濤做客第...
    12月21日，第三期求真講壇在樹華多功能廳舉行，中科院上海生命科學研究院植物生理生態研究所研究員王二濤應邀做了題為《Plant-Microbe Interaction》的主題演講，來自生命科學技術學院、藥學院、農業與生物學院的教師、博士後及研究生近70人參加，講壇由生命學院常務副院長馮雁主持。
  • 地衣:未來火星拓荒者
    地衣，是真菌與藻類之間互惠共生的特殊低等生物，由真菌和藻細胞構成。藻細胞通過光合作用為真菌提供養分，而菌絲又為藻細胞提供水分、無機鹽及保護措施，這樣「互惠共生」的特性，使得地衣不需要從基物獲取營養，就能夠在裸露的巖石表面自由生長。　　地衣的出現，僅晚於最早出現在海洋裡的藻類。
  • 微生物所在土傳病原真菌染色質重塑抵禦寄主ROS脅迫研究中獲進展
    近日，中國科學院微生物研究所研究員郭惠珊在PLOS PATHOGENS 在線發表了題為Verticillium dahliae chromatin remodelingROS作為植物防禦的第一道防線，一方面啟動傳遞免疫信號，另一方面直接抑制病原菌的生長。ROS可能氧化胺基酸，破壞蛋白功能；氧化脂質體，改變細胞膜通透性，破壞其功能；還可能氧化DNA，損傷遺傳物質。
  • 共生:生物進化和多樣性之謎
    早在德巴利提出廣義的共生概念之前，即1877年德國植物生理學家弗蘭克（Albert Bernhard Frank）就已使用曾經用於描寫共同生活在社區裡的民眾的詞語「symbiosis」（共生）來描述地衣中真菌與藻類的互惠共生關係。    然而，生物共生這一最普遍、最基本和最有效的生物學機制卻往往被人們所忽視。