GABA-T介导碳分解代谢物阻遏调控层出镰刀菌伏马毒素FB1生物合成的作用机理

Rice spikelet rot, a newly emerging disease, mainly caused by the pathogen Fusarium proliferatum, in recent years nationwidely in China. The pathogen can produce fumonisins, which causes a great threat to animal and human health. It is the necessity to further investigate the mechanism of mycotoxin production in the fungal pathogen. Gamma-aminobutanoic acid (GABA) metabolism plays a major role in primary metabolism, stress response and signaling transduction in plants, but little is known about the functions of GABA metabolism in phytopathogenic fungi. Our previous results showed that genetic disruption of the GABA transaminase (GABA-T) rendered the pathogen strongly reduced in FB1 production and fum gene expression, and unable to utilize proline as a sole source of carbon if a repression nitrogen source (glutamine) present in F. proliferatum. Then it was inferred that carbon catabolism repression (CCR) may be partially involved in the regulation of fumonisin production by GABA-T. In the present study, the influence of GABA-T of F. proliferatum on carbon utilization, CCR response, glucose sensing and signaling, and fumonisin biosynthesis will be investigated, to highlight the understanding of the molecular mechanism of glucose metabolism regulated by GABA-T during fumonisin biosynthesis. The results can provide theoretical basis for exploring the novel antifungal agents using GABA pathway as potential targets to control the rice spikelet rot disease.

层出镰刀菌为主侵染引起的水稻穗腐病是近年来中国的新升穗部病害，由于产生伏马毒素严重威胁人畜健康，有必要对该病原菌的产毒机制进行深入的研究。γ-氨基丁酸转氨酶（GABA）代谢在植物中已被广泛认为在基础代谢、逆境胁迫和信号传递中起着重要的作用，但在病原真菌中的功能却知之甚少。项目组前期的研究显示，GABA 转氨酶（GABA-T）缺失突变导致层出镰刀菌的FB1产毒能力和fum基因的表达量明显下降，且不能在脯氨酸为唯一碳源的谷氨酰胺培养基中生长。因此，推测碳分解代谢物阻遏可能参与了GABA-T调控毒素FB1的生物合成。本研究主要着眼于层出镰刀菌中GABA-T在碳源利用、碳分解代谢物阻遏、葡萄糖感知与信号传导以及伏马毒素合成途径中的生物学功能，阐述GABA-T介导葡萄糖代谢调控FB1毒素合成的分子机理，研究结果可为既能防病又能抑制毒素新型药物的研发和水稻穗腐病的防控策略提供理论依据。

由层出镰刀菌侵染引起的水稻穗腐病是我国新升的一种穗部病害，它不仅造成水稻产量下降，还因产生伏马毒素威胁人畜健康。由于没有适宜的抗病品种，有必要对该病原菌的毒素合成机理进行深入的研究。GABA代谢在植物的基础代谢、逆境胁迫和信号传递中起着重要的作用，但在病原真菌中的功能却知之甚少。GABA 转氨酶（GABA-T）分解GABA形成琥珀酸半醛。本研究主要着眼于层出镰刀菌中GABA-T在碳源利用、碳分解代谢物阻遏、葡萄糖感知与信号传导以及伏马毒素合成途径中的生物学功能，阐述GABA-T在层出镰刀菌碳代谢和次生代谢中的调控作用。结果表明，△GABA-T缺失突变体不仅导致层出镰刀菌的伏马毒素FB1产毒能力和Fum基因（Fum1、Fum6和Fum8）的表达量明显下降，而且对寄主的侵染能力下降。ΔFUM21、ΔFUM1、ΔFUM8几乎丧失了合成FB1的能力，这暗示GABA-T可能参与毒素合成途径中关键酶的表达。以55mM葡萄糖为唯一碳源进行培养，△GABA-T的线粒体复合物Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的活性受到抑制，线粒体膜电位水平和ATP含量降低，内源性活性氧ROS显著升高。△GABA-T不能在脯氨酸为唯一碳源的谷氨酰胺培养基中生长，GABA-T对非速效碳源的利用依赖于碳分解代谢物阻遏途径（CCR），这表明CCR可能参与了GABA-T调控毒素FB1的生物合成。碳代谢转录因子（CreA）和己糖激酶（HXK1）缺失后导致层出镰刀菌的孢子量减少和FB1合成量下降。在ΔCreA和ΔHXK1中GABA-T表达量显著下降，表明CreA和HXK1的调控位于GABA-T的上游。当在ΔCreA中过表达GABA-T能够明显上调FUM相关基因的表达量。ΔCreAΔGABA-T完全阻断孢子形成，与FB1合成相关的FUM基因表达几乎沉默。酵母双杂显示CreA和GABA-T并没有直接的相互作用。研究结果可为解释植物病原真菌GABA代谢和次级代谢物合成的调控机制提供理论依据；同时可为探索以GABA途径调控因子作为药物靶标，新型杀真菌药物的研发和病害有效控制提供理论基础。