蝗绿僵菌C2H2锌指蛋白MaNCP1的功能及其调控产孢方式转换的分子机制

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真菌通常具有两种细胞形态——高度极化的多细胞菌丝状和单细胞酵母状,即真菌二型性。多数丝状真菌存在微循环产孢(microcycle conidiation)和正常产孢(normal conidiation)两种产孢方式。正常产孢是由孢子萌发经一定阶段的菌丝生长后产孢;微循环产孢则是由孢子直接产孢或经极微弱菌丝生长后产孢。两种产孢方式转换的早期形态变化具有典型的真菌二型转换特征。微循环产孢是真菌适应不良环境的一种生存机制,除温度、p H等因素外,营养是影响丝状真菌两种产孢方式之间发生转换的重要因素。精准的营养感知对真菌生长发育极为重要,真菌可以利用多种化合物作为氮源,但这一过程涉及多种并行信号和调节系统,氮代谢物阻遏(nitrogen catabolism repression,NCR)途径就是其中最重要的途径之一。昆虫病原真菌作为重要的生防资源应用潜力巨大,分生孢子是昆虫病原真菌的主要侵染体,在真菌的繁殖、宿存和侵染过程中有着重要作用,同时分生孢子也是杀虫真菌农药的主要有效作用成分。蝗绿僵菌的微循环产孢产生的分生孢子产量大、抗逆性好,具有较大的应用前景。因此,研究蝗绿僵菌两种产孢方式相互转换的作用机理,在提高孢子产率、质量以及对害虫的持续控制能力方面有着重要意义。本研究从硝酸盐调控蝗绿僵菌产孢方式转换的差异表达基因文库中筛选到一个新的C2H2锌指蛋白基因MaNCP1,通过同源重组技术筛选到相应的全基因敲除菌株(ΔMaNCP1)、N或(和)C端C2H2锌指缺失突变菌株(MaNCP1?N、MaNCP1?C、MaNCP1?N+C)、互补菌株(CP),分析了MaNCP1对蝗绿僵菌主要生物防治性状的影响,重点研究了MaNCP1调控产孢方式转换的作用机制。主要结果如下:1、生物信息学分析发现MaNCP1含两个锌指结构簇,其C端含2个C2H2锌指、N端含3个C2H2锌指,且MaNCP1蛋白在丝状真菌中的亲缘性较近;氨基酸序列分析发现MaNCP1含有两个核定位信号,在酿酒酵母中异源表达MaNCP1发现其具有转录活性,同时MaNCP1::e GFP融合蛋白定位在细胞核,说明MaNCP1具有转录因子的典型特征;2、与WT和CP菌株相比,ΔMaNCP1菌株孢子萌发和生长延缓、产孢量下降,其中N端C2H2锌指对萌发影响较大,而N端和C端C2H2锌指对产孢量都有较大影响,但两者无明显差异;ΔMaNCP1菌株抵抗逆境(紫外和湿热)的能力降低,其中N端C2H2锌指在此过程中起主要作用。此外,MaNCP1全基因和C2H2锌指结构域缺失菌株分生孢子表面疏水性降低,分生孢子表面变得相对光滑;3、MaNCP1基因缺失后蝗绿僵菌毒力降低,N端C2H2锌指对真菌毒力影响较大。体表点滴实验发现MaNCP1?N、MaNCP1?N+C和ΔMaNCP1菌株影响附着胞发育,三个菌株的穿透能力均显著下降,毒力均显著低于WT和CP菌株;4、ΔMaNCP1菌株对硝酸盐、铵盐和谷氨酰胺的利用率下降,表明MaNCP1影响氮源利用。此外,SYA培养基上ΔMaNCP1菌株的产孢量显著下降,添加硝酸盐后ΔMaNCP1菌株的产孢量高于WT,同时q RT-PCR分析发现敲除MaNCP1影响硝酸盐同化途径相关基因的表达。RNA-seq分析发现受硝酸盐调控的产孢与Are A相关,进一步研究发现Ma Are A是MaNCP1的下游靶基因,表明MaNCP1通过与Ma Are A结合影响硝酸盐代谢;5、SYA培养条件下,ΔMaNCP1菌株转换为正常产孢,N端C2H2锌指在此过程中发挥重要作用。RNA-seq分析发现下调基因中包含一个Nmr A家族基因(MAC_02196),但该基因并不影响产孢方式。进一步研究发现Ma Nmr A(MAC_00749)是MaNCP1的下游靶基因,敲除Ma Nmr A后蝗绿僵菌产孢方式也由微循环产孢转换为正常产孢。此外,MaNCP1和Ma Nmr A均参与调控NO还原生成途径,且在SYA培养基中补充NO供体SNP后ΔMaNCP1和ΔMa Nmr A菌株的产孢方式恢复为微循环产孢。在ΔMaNCP1菌株中过表达Ma Nmr A后菌株的产孢方式与WT接近,NO含量显著提高,表明MaNCP1通过直接作用于Ma Nmr A参与NO还原合成途径影响NO含量进而调控蝗绿僵菌的产孢方式。综上,敲除MaNCP1基因后,分生孢子萌发速率减缓、产孢时间延迟、产孢量下降、对紫外和湿热的逆境耐受性下降、孢子表面结构发生改变且疏水性降低、毒力降低、产孢方式由微循环产孢转换为正常产孢,其中N端锌指对这些性状影响较大;研究发现MaNCP1通过直接作用于Ma Nmr A参与NO还原合成从而调控蝗绿僵菌产孢方式转换。
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