吉林大学秦庆明教授课题组发现灰霉病菌增强毒力侵染寄主的新途径
2018/4/27 

近日,国际微生物领域著名学术期刊 《Environmental Microbiology》(中科院JCR分区:环境科学与生态学一区,5年IF: 5.965)杂志在线发表了吉林大学秦庆明教授课题组题为“The key gluconeogenic gene PCK1 is crucial for virulence of Botrytis cinerea via initiating its conidial germination and host penetration”的研究论文,报道了灰霉病菌增强毒力侵染寄主的新途径,灰霉病菌可以利用糖异生途径通过启动分生孢子萌发和侵入寄主细胞来增强其毒力。值得一提的是,该研究是在秦庆明教授指导下由本科生组成的研究团队完成的。


植物病原真菌引起的病害约占植物病害的70%-80%,每年在世界范围内造成巨大的经济损失。为更科学地防治植物真菌病害,来自世界各地的很多相关领域的专家和学者都积极参与研究植物病原真菌的致病机制。虽然取得了一系列进展,但仍然有诸多问题困扰着学术界。比如死体营养型植物病原真菌在杀死植物细胞获取营养前的能量来源是什么?代谢途径是什么?该研究团队的研究结果很好的解答了这些相关的科学问题。


2014年初,吉林大学植物科学学院本科生刘建康、常浩武、丁雨晗、王岚及赵月等五位同学组成大学生创新研究团队,进入秦庆明教授领导的寄主-病原分子互作实验室开启了针对上述科学问题的大学生创新实验研究。


该研究团队选择灰霉病菌(Botrytis cinerea)作为研究对象。灰霉病菌是一种植物病原真菌,可感染1400多种植物,引起灰霉病【1】,每年在全球造成巨大的经济损失。长期以来,灰霉病菌一直是死体营养型病原真菌的模式物种,用于研究寄主 - 病原菌相互作用的分子机制。由于其科学和经济的重要性,灰霉病菌被认为是十大重要植物真菌病原菌之一【2】。该大学生创新团队首先从筛选到的一株致病缺陷突变体中鉴定到一个新型的致病相关基因:糖异生途径关键限速酶基因BcPCK1,进而通过基因替换方法获得了BcPCK1基因敲除突变体ΔBcpck1及其遗传互作菌株ΔBcpck1-C


后续研究发现:首先,仅有葡萄糖的存在并不足以启动灰霉病菌分生孢子萌发和寄主植物侵染,只有当分子孢子内葡萄糖浓度达到一定水平(阈值)后,分生孢子才能萌发并穿透植物细胞。其次,BcPCK1基因缺失突变体的分生孢子在同时含有葡萄糖和糖异生底物的完全培养基上培养时,分生孢子萌发和芽管发育存在缺陷。在这种情况下,糖异生途径是分生孢子产生更多葡萄糖以到达阈值所必需的,因而突变体可能需要更长时间才能到达阈值,因为野生型可同时通过内部糖异生途径产生葡萄糖和从外部吸收获得葡萄糖,然而突变体仅能通过吸收外部葡萄糖。当分生孢子在同时含有葡萄糖和糖异生底物的完全培养基上萌发时,糖异生关键酶基因的高表达支持这种观点。第三,当使用葡萄糖(高浓度)作为唯一碳源刺激分生孢子萌发时,野生型和突变体分生孢子的萌发和芽管发育没有差异。在这种情况下,野生型和突变体是不需要启动糖异生途径来到达阈值。高浓度的外部葡萄糖抑制酿酒酵母【3】和白色念珠菌【4】以及灰霉病菌中糖异生基因表达的结果支持该观点。在糖异生基因表达被抑制的情况下,分生孢子中葡萄糖积累可能主要通过吸收外部葡萄糖来实现。此外,在高葡萄糖浓度下进入分生孢子可能更快,该研究发现增加外源葡萄糖含量的确会加速分生孢子萌发。最后,在无营养物质的表面或植物表皮细胞上,病原菌只能依赖于糖异生来到达葡萄糖浓度阈值以启动分生孢子萌发。灰霉病菌糖异生关键限速酶基因BcPCK1的缺失阻断了糖异生途径,导致分生孢子完全不能萌发以及侵染寄主植物,从而在缺乏葡萄糖的情况下毒力完全消失。


该研究结果表明:糖异生途径是病原菌在获取寄主植物养分之前发育的基础,灰霉病菌利用糖异生途径通过启动分生孢子萌发和侵入寄主细胞来增强其毒力。为启动分生孢子萌发,分生孢子中的葡萄糖含量应达到一定浓度的阈值。分生孢子中的葡萄糖可来源于糖异生途径的最终产物,或来自外部葡萄糖的吸收或是这两种途径的组合。糖异生途径可被硬质的疏水界面或源自伤口或死亡植物组织/叶的表面渗出物中的糖异生底物激活。当葡萄糖含量达到阈值后,葡萄糖可作为信号分子刺激相应蛋白质的合成【5,6】,进而启动分生孢子萌发和随后的侵染结构的形成并以此侵入寄主细胞。


综上所述,该研究首次发现并系统阐述糖异生在植物病原真菌的发育和致病过程中发挥了多种作用,糖异生可使病原菌应对在侵染期间葡萄糖和/或其它碳源的不足。该研究结果预示糖异生关键组件及其相关的调控因子有望成为防治灰霉病的潜在靶点。

 

植物科学学院教授秦庆明、讲师李桂华为本研究的共同通讯作者;植物科学学院本科毕业生刘建康为第一作者。该研究得到了吉林大学海外优秀人才引进计划、国家公益性行业(农业)科研专项、国家级“大学生创新创业训练计划”项目资助。


参考文献:

【1】 Fillinger, S., and Elad, Y. (2016). Botrytis – the Fungus,the Pathogen and its Management in Agricultural Systems.

【2】Dean, R., Van Kan, J.A., Pretorius, Z.A., Hammond‐Kosack, K.E., Di Pietro, A., Spanu, P.D., Rudd, J.J., Dickman, M., Kahmann, R., and Ellis, J. (2012). The Top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology. Molecular Plant Pathology 13, 414-430.

【3】Yin, Z., Wilson, S., Hauser, N.C., Tournu, H., Hoheisel, J.D., and Brown, A.J. (2003). Glucose triggers different global responses in yeast, depending on the strength of the signal, and transiently stabilizes ribosomal protein mRNAs. Molecular Microbiology 48, 713-724.

【4】Barelle, C.J., Priest, C.L., MacCallum, D.M., Gow, N.A., Odds, F.C., and Brown, A.J. (2006). Niche‐specific regulation of central metabolic pathways in a fungal pathogen. Cellular Microbiology 8, 961-971.

【5】Herman, P.K., and Rine, J. (1997). Yeast spore germination: a requirement for Ras protein activity during re-entry into the cell cycle. Embo Journal 16, 6171-6181.

【6】Wendland, J. (2001). Comparison of Morphogenetic Networks of Filamentous Fungi and Yeast. Fungal Genetics & Biology 34, 63-82.