過(guò)氧化物酶體與真菌有性生殖的關(guān)系

卞美云,王 靜,王教瑜,* ,陳 杰

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311300; 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)與微生物研究所,浙江 杭州 310021)

過(guò)氧化物酶體是一類單層膜包裹的細(xì)胞器,普遍存在于各類真核細(xì)胞中,內(nèi)含氧化酶和過(guò)氧化氫酶,參與多種生化代謝途徑,如脂質(zhì)代謝、活性氧物質(zhì)(ROS)分解等[1-4]。過(guò)氧化物酶體還是一種重要的信號(hào)細(xì)胞器,代謝過(guò)程中產(chǎn)生多種信號(hào)分子,能夠調(diào)節(jié)關(guān)鍵信號(hào)蛋白的活性[5]。此外,過(guò)氧化物酶體還參與多種生物的細(xì)胞發(fā)育過(guò)程。例如,在模式植物擬南芥中過(guò)氧化物酶體參與受精過(guò)程中的配子識(shí)別[6];在哺乳動(dòng)物中,參與精子的形成和神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育等過(guò)程[7-8];在布氏錐蟲中,參與寄主相關(guān)的形態(tài)轉(zhuǎn)變[9]。人類細(xì)胞中過(guò)氧化物酶體功能異常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病[10-11]。

真菌中的過(guò)氧化物酶體除了具有真核生物普遍的功能外,還參與生物素合成以及β-內(nèi)酰胺類抗生素(如青霉素、頭孢菌素等)和真菌毒素(如黃曲霉毒素)的生化代謝[12-14]。此外,過(guò)氧化物酶體影響真菌的多種細(xì)胞發(fā)育過(guò)程,如孢子形成、侵染結(jié)構(gòu)(如附著胞發(fā)育等)[15]。近年來(lái),關(guān)于過(guò)氧化物酶體參與真菌有性生殖的研究逐漸也有報(bào)道。真菌的有性生殖能提供豐富的變異[16],以產(chǎn)生適應(yīng)力更強(qiáng)的后代,在遺傳重組和生物進(jìn)化方面起著重要的作用。真菌有性生殖過(guò)程較為復(fù)雜,分為質(zhì)配、核配、減數(shù)分裂等不同階段。首先,兩個(gè)性細(xì)胞相互識(shí)別進(jìn)行融合,二者的細(xì)胞核合并到同一細(xì)胞中,形成雙核細(xì)胞;然后,兩個(gè)細(xì)胞核結(jié)合成一個(gè)雙倍體的核;最后減數(shù)分裂形成有性孢子。研究表明,過(guò)氧化物酶體在真菌有性生殖的細(xì)胞融合、核分裂和減數(shù)分裂等各個(gè)過(guò)程中均起著重要的作用[17-18]。本文主要對(duì)真菌中過(guò)氧化物酶體與有性生殖的功能關(guān)系研究進(jìn)行了綜述。

1 過(guò)氧化物酶體的生化代謝為有性生殖提供營(yíng)養(yǎng)

真菌有性生殖結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生需要營(yíng)養(yǎng)菌絲提供營(yíng)養(yǎng)。菌絲細(xì)胞中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)自碳水化合物和脂質(zhì)等儲(chǔ)藏物質(zhì),或由細(xì)胞自噬等過(guò)程降解廢棄的細(xì)胞器和蛋白等物質(zhì)產(chǎn)生[19]。儲(chǔ)藏物質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化能夠直接影響子實(shí)體的形成,而過(guò)氧化物酶體內(nèi)的生化代謝是這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化所必需的[20]。真菌中的脂類物質(zhì)主要為積聚在脂質(zhì)體內(nèi)的三酰甘油酯[21-22]。脂質(zhì)體起源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng),與線粒體和過(guò)氧化物酶體密切相關(guān)。過(guò)氧化物酶體通過(guò)突起的結(jié)構(gòu)進(jìn)入脂質(zhì)體內(nèi)部,促進(jìn)脂質(zhì)轉(zhuǎn)移到過(guò)氧化物酶體中。三酰甘油酯分解釋放出脂肪酸,脂肪酸在過(guò)氧化物酶體中經(jīng)β-氧化和乙醛酸循環(huán),然后在線粒體內(nèi)完成最終降解,從中產(chǎn)生能量并合成發(fā)育所必需的中間產(chǎn)物,以此促進(jìn)子實(shí)體的形成[23-24]。

過(guò)氧化物酶體的脂肪酸β-氧化參與真菌的有性生殖過(guò)程。禾谷鐮孢菌有性態(tài)(Gibberellazeae)的轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn),有性發(fā)育之前的菌絲中大多數(shù)脂類合成相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào),而當(dāng)子囊殼開始形成時(shí),這些基因表達(dá)被抑制;脂類合成基因下調(diào)的同時(shí),脂質(zhì)氧化相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)[25]。核盤菌(Sclerotiniasclerotiorum)的子實(shí)體來(lái)自于菌核,由一個(gè)大的杯狀結(jié)構(gòu)組成,稱為子囊盤。菌核由緊密排列的菌絲聚集組成,外被高度黑化的菌絲,是一種無(wú)性結(jié)構(gòu)[26]。菌核中具有豐富的脂質(zhì)和碳水化合物,為形成子囊盤提供營(yíng)養(yǎng)。脂肪酸是子囊盤形成所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),脂肪酸β-氧化需要過(guò)氧化氫酶(CAT)的參與。研究發(fā)現(xiàn),敲除過(guò)氧化物酶體的CAT編碼基因PTH2會(huì)影響子囊盤的分化,導(dǎo)致突變體的子囊盤無(wú)法完全展開[27]。

乙醛酸循環(huán)對(duì)不同種類真菌有性生殖的影響不同。異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶是兩種乙醛酸循環(huán)特有的酶。在子囊菌中,如外生菌根真菌白松露(Tuberborchii)的子實(shí)體中異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶的活性比營(yíng)養(yǎng)菌絲中高[28-29];黑松露(Tubermelanosporum)的子實(shí)體中乙醛酸循環(huán)相關(guān)酶基因的表達(dá)水平上調(diào)[30],表明這兩種子囊菌中子實(shí)體的發(fā)育都與乙醛酸循環(huán)相關(guān)。在擔(dān)子菌中,如白腐菌(Flammulinavelutipes)的蘋果酸合成酶和異檸檬酸裂解酶在能產(chǎn)生子實(shí)體的菌絲中活性顯著增高,同時(shí)在子實(shí)體發(fā)育期間蘋果酸合成酶的活性繼續(xù)升高[31],表明乙醛酸循環(huán)在白腐菌子實(shí)體形成中起著重要作用;然而在褐腐菌(Fomitopsispalustris)中,蘋果酸合成酶和異檸檬酸裂解酶僅僅在幼齡菌絲體具有高的活性,隨著子實(shí)體的形成活性逐漸下降,因此在褐腐菌子實(shí)體形成過(guò)程中乙醛酸循環(huán)的作用不明顯[32]。

2 過(guò)氧化物酶體影響有性生殖結(jié)構(gòu)的形成

過(guò)氧化物酶體形成過(guò)程中,參與過(guò)氧化物酶體生化代謝的基質(zhì)蛋白和酶類都在細(xì)胞質(zhì)中合成,然后被轉(zhuǎn)運(yùn)入過(guò)氧化物酶體。這些基質(zhì)蛋白大多含有過(guò)氧化物酶體定位信號(hào)(PTS1或PTS2)。參與過(guò)氧化物酶體形成的基因稱為PEX基因,真菌中PEX基因在有性生殖結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中發(fā)揮重要功能。

在禾谷鐮孢菌有性發(fā)育過(guò)程中,多數(shù)過(guò)氧化物酶形成相關(guān)基因的表達(dá)呈現(xiàn)上調(diào),與脂質(zhì)氧化相關(guān)基因的表達(dá)模式類似。進(jìn)一步研究表明,過(guò)氧化物酶體參與禾谷鐮孢菌的有性發(fā)育過(guò)程,過(guò)氧化物酶體形成缺陷的突變體中子囊殼顯著減少[33]。在絲狀真菌柄孢霉(Podosporaanserina)中,敲除PTS1受體編碼基因PEX5導(dǎo)致突變體子囊殼形成數(shù)量減少,且大小發(fā)生變化;敲除PTS2受體基因PEX7也會(huì)抑制子囊殼的發(fā)育[34]。同樣地,構(gòu)巢曲霉(Aspergillusnidulans)PEX5的缺失也會(huì)導(dǎo)致閉囊殼減少[35]。而在粗糙脈孢菌(Neurosporacrassa)中,子囊發(fā)育的早期就需要過(guò)氧化物酶體的參與,敲除過(guò)氧化物酶體基質(zhì)蛋白對(duì)接復(fù)合體基因PEX14,突變株表現(xiàn)雌性不育,無(wú)法產(chǎn)生子囊殼[36]。禾谷鐮孢菌無(wú)性態(tài)(Fusariumgraminearum)中,敲除PEX3的突變體活性氧水平顯著升高,分生孢子產(chǎn)量減少,且不形成子囊殼[37]。PEX22、PEX2、PEX12的敲除也會(huì)影響禾谷鐮孢菌的有性生殖,Δpex22突變體形成的子囊殼數(shù)量略有降低[38],而Δpex2和Δpex12突變體子囊殼數(shù)量顯著減少[39]。在柄孢霉中,過(guò)氧化物酶體和線粒體在有性生殖過(guò)程中的活性相互關(guān)聯(lián)。過(guò)氧化物酶體在有性生殖過(guò)程中分裂增殖,此過(guò)程受到線粒體動(dòng)力蛋白Dnm1及其膜受體,如Fis1的調(diào)控。敲除FIS1和DNM1均會(huì)導(dǎo)致子囊孢子分化異常[40]。

3 過(guò)氧化物酶體參與有性生殖信號(hào)分子的產(chǎn)生

過(guò)氧化物酶體在有性生殖過(guò)程中的另一個(gè)重要功能是參與性發(fā)育信號(hào)分子的形成。在真菌中,已經(jīng)報(bào)道的受過(guò)氧化物酶體調(diào)控的信號(hào)分子有脂肪酸衍生的信息素、Velvet家族蛋白、Psi因子和?；o酶A結(jié)合蛋白Acb1等。

玉米黑粉菌(Ustilagomaydis)是一種引起玉米黑粉病的擔(dān)子菌,該菌依賴于對(duì)寄主的侵染來(lái)完成有性生殖過(guò)程。黑粉菌通過(guò)出芽增殖,進(jìn)行有性繁殖時(shí)改變生長(zhǎng)模式從而產(chǎn)生絲狀細(xì)胞。這種轉(zhuǎn)變首先需要脂肪酸衍生的信息素介導(dǎo)絲狀細(xì)胞配對(duì)識(shí)別,進(jìn)而形成接合菌絲,接合菌絲再通過(guò)胞質(zhì)融合產(chǎn)生雙核菌絲,最終雙核菌絲在寄主組織中增殖并分化出二倍體冬孢子(休眠孢子)[41-42]。玉米黑粉菌的交配能力也受脂肪酸β-氧化的影響,過(guò)氧化物酶體β-氧化缺陷的突變體雙核菌絲數(shù)量減少,交配能力減弱,冬孢子分化也明顯延遲[43-44]。構(gòu)巢曲霉中,Psi因子是油酸、亞油酸和亞麻酸羥基化產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物,Psi因子的含量決定了有性和無(wú)性之間的平衡。油酸能夠刺激閉囊殼的產(chǎn)生并減少無(wú)性孢子形成,PEX6基因(編碼一種過(guò)氧化物酶輸出體)的缺失則會(huì)抑制油酸形成從而減少閉囊殼的數(shù)量,這表明過(guò)氧化物酶體代謝通過(guò)調(diào)控Psi因子的水平進(jìn)而影響構(gòu)巢曲霉的有性生殖[45]。此外,畢赤酵母(Pichiapastoris)的?；o酶A結(jié)合蛋白Acb1是一種分泌蛋白,被過(guò)氧化物酶體水解之后能形成信號(hào)分子。研究表明,Acb1的分泌是子囊孢子形成所必需的,敲除Acb1的受體蛋白,突變體子囊孢子數(shù)量顯著減少[46-47]。

4 過(guò)氧化物酶體參與減數(shù)分裂過(guò)程

在子囊菌的有性發(fā)育過(guò)程中,過(guò)氧化物酶體的數(shù)量、大小和定位發(fā)生規(guī)律性的變化。過(guò)氧化物酶體的存在和數(shù)量體現(xiàn)了真菌不同發(fā)育階段對(duì)過(guò)氧化物酶體代謝的需求程度。

在柄孢霉中,未受精前的子囊母細(xì)胞中僅含有少量沿著有隔膜的菌絲均勻分布的圓形或橢圓形過(guò)氧化物酶體[48]。受精后,子囊母細(xì)胞中的過(guò)氧化物酶體數(shù)量顯著增加。核融合后,二倍體細(xì)胞核進(jìn)入減數(shù)分裂階段,子囊從10 μm伸長(zhǎng)到150 μm以上,而且在新生的子囊中可以觀察到數(shù)百個(gè)過(guò)氧化物酶體,且大部分聚集在細(xì)胞頂端。在減數(shù)分裂前期I結(jié)束時(shí),子囊生長(zhǎng)到最終長(zhǎng)度,過(guò)氧化物酶體則沿細(xì)胞更均勻地分布;在中期I到子囊孢子形成期間,過(guò)氧化物酶體的數(shù)量不發(fā)生變化;子囊孢子成熟期間過(guò)氧化物酶體則顯著增加[34,49-50]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),柄孢霉的PEX2基因在減數(shù)分裂期間起著重要作用,突變體Δpex2的有性發(fā)育停滯在雙核階段,無(wú)法進(jìn)入減數(shù)分裂期,最終表現(xiàn)為不育[40]。在釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)的有性生殖過(guò)程中,相反交配型的單倍體細(xì)胞相遇并融合產(chǎn)生合子,合子通過(guò)出芽進(jìn)行無(wú)性繁殖,當(dāng)二倍體細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)受限時(shí),經(jīng)歷減數(shù)分裂并將其產(chǎn)生的單倍體核包裝成子囊孢子。然后在孢子形成期間,經(jīng)過(guò)兩次減數(shù)分裂,過(guò)氧化物酶體被分配到4種細(xì)胞產(chǎn)物中[51]。但在這一過(guò)程中,過(guò)氧化物酶體的數(shù)量和分布沒(méi)有發(fā)生顯著變化。上述研究表明過(guò)氧化物酶體在減數(shù)分裂期間起著重要作用,同時(shí)其所處的位置對(duì)有性生殖也至關(guān)重要。

5 過(guò)氧化物酶體參與有性孢子形成和釋放

在真菌有性生殖過(guò)程中,過(guò)氧化物酶體參與有性孢子形成和釋放,此時(shí)過(guò)氧化物酶體的數(shù)量顯著增加,且代謝活躍,促進(jìn)有性孢子成熟和萌發(fā),以及子囊孢子釋放[52]。

有性孢子成熟過(guò)程中會(huì)發(fā)生黑化,黑色素是真菌孢子的重要組分,黑色素有助于孢子細(xì)胞壁的硬化[53]。真菌黑色素由乙酰輔酶A或丙二酰輔酶A通過(guò)二羥基萘黑色素生物合成途徑產(chǎn)生,過(guò)氧化物酶體β-氧化可為黑色素生物合成提供乙酰輔酶A[15,54]。柄孢霉的過(guò)氧化物酶體的β-氧化缺陷會(huì)導(dǎo)致突變體子囊孢子黑色素缺乏,孢子呈現(xiàn)綠色,萌發(fā)率降低,且萌發(fā)后的菌絲變得脆弱[55-56]。玉米黑粉菌中參與過(guò)氧化物酶體β-氧化的蛋白Mfe2編碼基因缺失后冬孢子黑色素化延遲,但能有效地萌發(fā)[35,43]。粗糙脈孢菌中異檸檬酸裂解酶的缺失、核盤菌中CAT編碼基因PTH2的缺失也會(huì)影響子囊孢子的萌發(fā)[27]。但也有例外,在構(gòu)巢曲菌中敲除PTH2不會(huì)造成子囊孢子的發(fā)育缺陷[57],子囊孢子的黑化也不受影響,過(guò)氧化物酶體的形成缺陷或乙醛酸循環(huán)均不影響其孢子的活力[35]。

子囊菌中,子囊孢子形成后,其余的細(xì)胞形成子囊并將子囊孢子包裹其中。子囊孢子成熟后,子囊的頂端產(chǎn)生開口,并在子囊內(nèi)部的膨壓下子將子囊孢子排出[58],這一釋放過(guò)程需要過(guò)氧化物酶體參與。其中,過(guò)氧化物酶體影響子囊的發(fā)育和子囊孢子的釋放。禾谷鐮孢菌中過(guò)氧化物酶體-線粒體肉堿乙酰轉(zhuǎn)移酶(Cat1)的突變體,子囊和子囊孢子能夠正常成熟,但由于子囊內(nèi)產(chǎn)生的壓力不足,子囊孢子聚集在子囊開口處不能有效排出,與野生型相比,子囊孢子的排出量顯著減少,同時(shí)敲除肉堿乙酰轉(zhuǎn)移酶基因CAT1與CAT2,會(huì)加劇上述缺陷。柄孢霉中的PEX7缺失或線粒體β-氧化的缺陷也會(huì)導(dǎo)致子囊孢子排出延遲。研究表明,子囊膨壓的產(chǎn)生需要消耗大量三磷酸腺苷(ATP)[59-60],而乙酰輔酶A是線粒體產(chǎn)生ATP所必需的。CAT的突變影響乙酰輔酶A的產(chǎn)生,從而最終影響子囊孢子的排出[34,56]。

6 展望

真菌是一個(gè)龐大的生物類群,生活方式和繁殖策略都呈現(xiàn)出高度的多樣性。過(guò)氧化物酶體通過(guò)參與多種生化代謝從而影響真菌的生命活動(dòng),使真菌能夠在各種各樣的環(huán)境中適應(yīng)和生存。過(guò)氧化物酶體能夠協(xié)調(diào)真菌多項(xiàng)發(fā)育過(guò)程,如有性生殖。真菌有性生殖依賴菌絲細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)藏的脂類物質(zhì)降解提供能量,而過(guò)氧化物酶體內(nèi)的脂肪酸β-氧化和乙醛酸循環(huán)是脂類降解和轉(zhuǎn)化的必需步驟[20]。其次,過(guò)氧化物酶體還可能直接參與細(xì)胞減數(shù)分裂過(guò)程。為了滿足真菌減數(shù)分裂過(guò)程中的細(xì)胞發(fā)育需求,過(guò)氧化物酶體大小、數(shù)量和位置都發(fā)生規(guī)律性的變化[48]。此外,過(guò)氧化物酶體還參與有性生殖過(guò)程中信號(hào)分子的形成,敲除過(guò)氧化物酶體PTS1相關(guān)基因會(huì)影響真菌子囊殼的形成[41]。

對(duì)不同模式真菌有性生殖的研究,揭示了真菌有性生殖期間過(guò)氧化物酶體的重要性,但對(duì)于過(guò)氧化物酶體在有性生殖過(guò)程中具體的作用機(jī)制仍亟待進(jìn)一步研究。第一,有關(guān)真菌過(guò)氧化物酶體生物發(fā)生的機(jī)制還不完全清楚,與有性生殖相關(guān)的PEX基因功能還有待挖掘;第二,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)過(guò)氧化物酶體在有性生殖過(guò)程中的具體作用還不夠深入,主要聚焦于脂肪代謝部分,但是過(guò)氧化物酶體是否通過(guò)其他代謝功能如活性氧穩(wěn)態(tài)、生物素合成等調(diào)控有性生殖過(guò)程,這些仍然是未知的,需要進(jìn)一步探究和拓展;第三,過(guò)氧化物酶體在有性生殖中的作用因真菌種類而異,其功能在不同真菌性發(fā)育中幾乎沒(méi)有明顯的共性,需進(jìn)一步系統(tǒng)地分析比較,以期更全面地明確過(guò)氧化物酶體在不同真菌以及不同發(fā)育過(guò)程中的具體分子機(jī)制。以上問(wèn)題為我們今后的研究帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。因此,以模式真菌為對(duì)象,深入開展過(guò)氧化物酶體影響真菌有性生殖與子實(shí)體發(fā)育期間調(diào)控機(jī)制研究具有重要的理論和應(yīng)用意義。