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]。過氧化物酶體還是一種重要的信號細(xì)胞器,代謝過程中產(chǎn)生多種信號分子,能夠調(diào)節(jié)關(guān)鍵信號蛋白的活性[5]。此外,過氧化物酶體還參與多種生物的細(xì)胞發(fā)育過程。例如,在模式植物擬南芥中過氧化物酶體參與受精過程中的配子識別[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)胞中過氧化物酶體功能異常會導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病[10-11]。

真菌中的過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,過氧化物酶體影響真菌的多種細(xì)胞發(fā)育過程,如孢子形成、侵染結(jié)構(gòu)(如附著胞發(fā)育等)[15]。近年來,關(guān)于過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)過程中均起著重要的作用[17-18]。本文主要對真菌中過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 過氧化物酶體的生化代謝為有性生殖提供營養(yǎng)

真菌有性生殖結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生需要營養(yǎng)菌絲提供營養(yǎng)。菌絲細(xì)胞中的營養(yǎng)物質(zhì)主要來自碳水化合物和脂質(zhì)等儲藏物質(zhì),或由細(xì)胞自噬等過程降解廢棄的細(xì)胞器和蛋白等物質(zhì)產(chǎn)生[19]。儲藏物質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化能夠直接影響子實(shí)體的形成,而過氧化物酶體內(nèi)的生化代謝是這些營養(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),與線粒體和過氧化物酶體密切相關(guān)。過氧化物酶體通過突起的結(jié)構(gòu)進(jìn)入脂質(zhì)體內(nèi)部,促進(jìn)脂質(zhì)轉(zhuǎn)移到過氧化物酶體中。三酰甘油酯分解釋放出脂肪酸,脂肪酸在過氧化物酶體中經(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]。

過氧化物酶體的脂肪酸β-氧化參與真菌的有性生殖過程。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養(yǎng)。脂肪酸是子囊盤形成所必需的營養(yǎng)物質(zhì),脂肪酸β-氧化需要過氧化氫酶(CAT)的參與。研究發(fā)現(xiàn),敲除過氧化物酶體的CAT編碼基因PTH2會影響子囊盤的分化,導(dǎo)致突變體的子囊盤無法完全展開[27]。

乙醛酸循環(huán)對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)體形成過程中乙醛酸循環(huán)的作用不明顯[32]。

2 過氧化物酶體影響有性生殖結(jié)構(gòu)的形成

過氧化物酶體形成過程中,參與過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)入過氧化物酶體。這些基質(zhì)蛋白大多含有過氧化物酶體定位信號(PTS1或PTS2)。參與過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)形成過程中發(fā)揮重要功能。

在禾谷鐮孢菌有性發(fā)育過程中,多數(shù)過氧化物酶形成相關(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,過氧化物酶體參與禾谷鐮孢菌的有性發(fā)育過程,過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)育的早期就需要過氧化物酶體的參與,敲除過氧化物酶體基質(zhì)蛋白對接復(fù)合體基因PEX14,突變株表現(xiàn)雌性不育,無法產(chǎn)生子囊殼[36]。禾谷鐮孢菌無性態(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,過氧化物酶體和線粒體在有性生殖過程中的活性相互關(guān)聯(lián)。過氧化物酶體在有性生殖過程中分裂增殖,此過程受到線粒體動(dòng)力蛋白Dnm1及其膜受體,如Fis1的調(diào)控。敲除FIS1和DNM1均會導(dǎo)致子囊孢子分化異常[40]。

3 過氧化物酶體參與有性生殖信號分子的產(chǎn)生

過氧化物酶體在有性生殖過程中的另一個(gè)重要功能是參與性發(fā)育信號分子的形成。在真菌中,已經(jīng)報(bào)道的受過氧化物酶體調(diào)控的信號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,該菌依賴于對寄主的侵染來完成有性生殖過程。黑粉菌通過出芽增殖,進(jìn)行有性繁殖時(shí)改變生長模式從而產(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)胞配對識別,進(jìn)而形成接合菌絲,接合菌絲再通過胞質(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)生的次級代謝產(chǎn)物,Psi因子的含量決定了有性和無性之間的平衡。油酸能夠刺激閉囊殼的產(chǎn)生并減少無性孢子形成,PEX6基因(編碼一種過氧化物酶輸出體)的缺失則會抑制油酸形成從而減少閉囊殼的數(shù)量,這表明過氧化物酶體代謝通過調(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,被過氧化物酶體水解之后能形成信號分子。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 過氧化物酶體參與減數(shù)分裂過程

在子囊菌的有性發(fā)育過程中,過氧化物酶體的數(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)育階段對過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氧化物酶體[48]。受精后,子囊母細(xì)胞中的過氧化物酶體數(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),子囊生長到最終長度,過氧化物酶體則沿細(xì)胞更均勻地分布;在中期I到子囊孢子形成期間,過氧化物酶體的數(shù)量不發(fā)生變化;子囊孢子成熟期間過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,合子通過出芽進(jìn)行無性繁殖,當(dāng)二倍體細(xì)胞營養(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)過兩次減數(shù)分裂,過氧化物酶體被分配到4種細(xì)胞產(chǎn)物中[51]。但在這一過程中,過氧化物酶體的數(shù)量和分布沒有發(fā)生顯著變化。上述研究表明過氧化物酶體在減數(shù)分裂期間起著重要作用,同時(shí)其所處的位置對有性生殖也至關(guān)重要。

5 過氧化物酶體參與有性孢子形成和釋放

在真菌有性生殖過程中,過氧化物酶體參與有性孢子形成和釋放,此時(shí)過氧化物酶體的數(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]。

有性孢子成熟過程中會發(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通過二羥基萘黑色素生物合成途徑產(chǎn)生,過氧化物酶體β-氧化可為黑色素生物合成提供乙酰輔酶A[15,54]。柄孢霉的過氧化物酶體的β-氧化缺陷會導(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],這一釋放過程需要過氧化物酶體參與。其中,過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。過氧化物酶體通過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。過氧化物酶體能夠協(xié)調(diào)真菌多項(xiàng)發(fā)育過程,如有性生殖。真菌有性生殖依賴菌絲細(xì)胞內(nèi)儲藏的脂類物質(zhì)降解提供能量,而過氧化物酶體內(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,過氧化物酶體還可能直接參與細(xì)胞減數(shù)分裂過程。為了滿足真菌減數(shù)分裂過程中的細(xì)胞發(fā)育需求,過氧化物酶體大小、數(shù)量和位置都發(fā)生規(guī)律性的變化[48]。此外,過氧化物酶體還參與有性生殖過程中信號分子的形成,敲除過氧化物酶體PTS1相關(guān)基因會影響真菌子囊殼的形成[41]。

對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氧化物酶體的重要性,但對于過氧化物酶體在有性生殖過程中具體的作用機(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,目前國內(nèi)外對過氧化物酶體在有性生殖過程中的具體作用還不夠深入,主要聚焦于脂肪代謝部分,但是過氧化物酶體是否通過其他代謝功能如活性氧穩(wěn)態(tài)、生物素合成等調(diào)控有性生殖過程,這些仍然是未知的,需要進(jìn)一步探究和拓展;第三,過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氧化物酶體在不同真菌以及不同發(fā)育過程中的具體分子機(jī)制。以上問題為我們今后的研究帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。因此,以模式真菌為對象,深入開展過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。