The bZIP Transcription Factor Fgap1 Mediates Oxidative Stress Response and Trichothecene Biosynthesis But Not Virulence in Fusarium graminearum
- 作者
- Mathilde Montibus, Christine Ducos, Marie-Noelle Bonnin-Verdal, Jorg Bormann, Nadia Ponts, Florence Richard-Forget, Christian Barreau
- 单位
- Institut National de la Recherche Agronomique, Unité de Recherche 1264 MycSA, Villenave d'Ornon, France; University of Hamburg, Biocenter Klein Flottbek, Department of Molecular Phytopathology and Genetics, Hamburg, Germany; Centre National de la Recherche Scientifique, Unité de Recherche 1264 MycSA, Villenave d'Ornon, France
- 杂志
- PLoS ONE（2013）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0083377
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析禾谷镰刀菌中bZIP转录因子Fgap1在氧化应激响应、单端孢霉烯族毒素生物合成及致病性中的作用及其调控机制。
研究策略
通过基因敲除（ΔFgap1）、回补（ΔFgap1:ap1）和表达组成型活性截短形式（Fgap1c trunc）的遗传操作，结合表型分析、毒素产量检测、Tri基因及抗氧化基因表达分析、小麦侵染试验，研究Fgap1的功能。
核心内容
该研究在禾谷镰刀菌中鉴定了bZIP转录因子Fgap1（FGSG_08800），通过基因敲除、回补及表达缺失核输出信号（NES）的组成型活性截短体Fgap1c，系统解析了其功能。结果显示，ΔFgap1突变体对H₂O₂、镉、NaCl和山梨醇的胁迫敏感性显著增加。在GYEP培养基培养4天时，ΔFgap1的DON+15ADON产量高达208.7±90.5 ng/mg干生物量，而野生型仅为10.4±1.3，Tri5表达上调约2.3倍（log2比值）；回补株产量恢复至3.3±2.1，而Fgap1c仅产痕量毒素且Tri基因显著下调。0.5 mM H₂O₂处理可使野生型毒素积累提高7倍，但该响应在ΔFgap1中消失、在Fgap1c中减弱。抗氧化酶分析表明，野生型中H₂O₂诱导Catalase1、Catalase3和MnSOD1上调，而ΔFgap1中三种过氧化氢酶和两个Cu/ZnSOD下调。小麦侵染试验显示，ΔFgap1和回补株致病性与野生型相当，Fgap1c毒力略降但无显著差异。这些结果揭示Fgap1是氧化应激响应的关键负向调控因子，通过间接机制调控Tri基因表达和毒素积累，但并非致病性所必需，其介导的抗氧化酶网络与毒素合成调控密切相关。
创新点
首次在禾谷镰刀菌中鉴定并功能表征Yap1同源物Fgap1；构建了缺失NES的组成型活性截短突变体；揭示Fgap1介导氧化应激与单端孢霉烯族毒素合成之间的调控联系。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Fusarium graminearum INRA 605 | 氧化应激响应与单端孢霉烯族毒素生物合成 | Fgap1 | Fgap1（bZIP转录因子） | 调控 | Yap1同源物，响应氧化应激并调节Tri基因表达和毒素合成 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 单端孢霉烯族毒素生物合成 | Tri4 | Tri4 | 催化 | 毒素合成相关基因，在ΔFgap1中表达上调，在Fgap1c trunc中下调 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 单端孢霉烯族毒素生物合成 | Tri5 | Tri5 | 催化 | 单端孢霉烯合成第一步酶，ΔFgap1中表达上调log2(2.3)，回补后恢复 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 单端孢霉烯族毒素生物合成 | Tri6 | Tri6 | 调控 | Tri基因簇内转录因子，H2O2处理后过表达 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 单端孢霉烯族毒素生物合成 | Tri10 | Tri10 | 调控 | Tri基因簇内转录因子，H2O2处理后过表达 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 单端孢霉烯族毒素生物合成 | Tri12 | Tri12 | 转运 | 可能参与毒素转运，表达受Fgap1影响 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 单端孢霉烯族毒素生物合成 | Tri101 | Tri101 | 催化 | 位于Tri5簇外，H2O2处理后表达上调 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 抗氧化防御 | Catalase1 (FGSG_06554) | Catalase 1 | 催化 | 孢子特异性过氧化氢酶，H2O2处理后上调，ΔFgap1中下调 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 抗氧化防御 | Catalase2 (FGSG_02881) | Catalase 2 | 催化 | 过氧化物酶体过氧化氢酶，ΔFgap1中下调 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 抗氧化防御 | Catalase3 (FGSG_06733) | Catalase 3 | 催化 | 分泌型过氧化氢酶，H2O2处理后上调，ΔFgap1中下调 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 抗氧化防御 | MnSOD1 (FGSG_04454) | MnSOD1（线粒体超氧化物歧化酶） | 催化 | H2O2处理后诱导最高；Fgap1c trunc中过表达超过10倍 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 抗氧化防御 | MnSOD2 (FGSG_02051) | MnSOD2 | 催化 | 表达受Fgap1影响 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 抗氧化防御 | Cu/ZnSOD1 (FGSG_08721) | Cu/ZnSOD1 | 催化 | ΔFgap1中表达下调 |
| Fusarium graminearum INRA 605 | 抗氧化防御 | Cu/ZnSOD2 (FGSG_00576) | Cu/ZnSOD2 | 催化 | ΔFgap1中表达下调 |
关键发现
- 鉴定到Fgap1（FGSG_08800），编码588氨基酸蛋白，含bZIP结构域和C端c-CRD（含NES），无n-CRD。
- ΔFgap1突变体对H2O2、镉、NaCl和山梨醇胁迫敏感性增加，Fgap1c trunc对渗透胁迫适应性增强。
- ΔFgap1在GYEP培养5天和14天时毒素产量显著高于野生型；4天时DON+15ADON产量为208.7±90.5 ng/mg干生物量（野生型10.4±1.3），Tri5表达上调log2比值为2.3±0.2；回补株产量恢复至3.3±2.1。Fgap1c trunc仅产痕量毒素，Tri基因显著下调。
- 5 mM H2O2处理使野生型5天时TCTB积累提高7倍，Tri基因过表达；ΔFgap1中此响应消失，Fgap1c trunc中响应减弱。
- 野生型中H2O2诱导Catalase1、Catalase3和MnSOD1显著上调，MnSOD1诱导最高；ΔFgap1中三种过氧化氢酶和两个Cu/ZnSOD下调，Fgap1c trunc中MnSOD1过表达超过10倍。
- 小麦侵染试验中ΔFgap1和回补株致病性与野生型相当，Fgap1c trunc毒力略有降低但差异不显著；毒素水平ΔFgap1为113.9±8.1 μg/mg干小麦，Fgap1c trunc为49.6±10.7（野生型153.4±2.0）。
- Fgap1不影响致病性，但对氧化应激响应和毒素合成调控起关键作用。
研究结论
Fgap1是禾谷镰刀菌氧化应激响应的关键调控因子，通过间接方式调控Tri基因表达和单端孢霉烯族毒素积累，介导氧化应激对毒素合成的激活作用；但Fgap1不是致病性所必需的，其调控的抗氧化酶（如MnSOD1）可能与毒素生物合成调控网络相连。