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

2020-09-06 BioArt植物

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

編輯 | 奕梵


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。


近日，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教授合作在PNAS發表了題為Coregulation of dimorphism and symbiosis by cyclic AMP signaling in the lichenized fungus Umbilicaria muhlenbergii的研究論文，報導了該團隊在調控地衣型真菌形態轉變與共生方面取得的最新進展。




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」。


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。


論文連結：

https://www.pnas.org/content/early/2020/08/31/2005109117

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