本文摘要:摘要:草酸(oxalicacid)是一種重要的生物代謝產物,廣泛分布于植物、動物和微生物中,在不同的生命體中發揮重要功能。本文回顧了國內外關于真菌草酸的相關研究進展。許多真菌能夠分泌草酸,包括植物病原真菌、食藥用真菌及工業真菌等。草酸作為一種簡單的二元羧酸,在
摘要:草酸(oxalicacid)是一種重要的生物代謝產物,廣泛分布于植物、動物和微生物中,在不同的生命體中發揮重要功能。本文回顧了國內外關于真菌草酸的相關研究進展。許多真菌能夠分泌草酸,包括植物病原真菌、食藥用真菌及工業真菌等。草酸作為一種簡單的二元羧酸,在真菌中主要通過三羧酸循環途徑、乙醛酸循環途徑和草酰乙酸途徑合成。草酸是真菌產生的一種重要的生物因子,能夠影響真菌的生長與發育,還能夠通過毒素作用、酸化寄主組織環境、參與細胞壁降解和誘導活性氧產生等作用方式,在真菌與寄主植物的互作中發揮作用,在真菌的生活史和侵染循環中發揮重要的生物學和病理學作用。本文從草酸的理化特性、代謝途徑、產草酸的真菌種類、草酸的作用、草酸相關基因功能等方面進行綜述,并對未來真菌草酸研究應關注的問題提出了建議。
關鍵詞:真菌,草酸,代謝,致病性,脅迫
草酸(oxalicacid,OA)是一種廣泛存在于動物、植物和微生物等生物體內的重要代謝產物[1]。真菌能夠合成并分泌草酸以維持生存環境中適宜的pH值[2]。草酸在真菌生長發育、環境(生物和非生物因素)脅迫響應等方面發揮重要作用[3-5]。
生物方向評職知識:生物質轉化方面論文發表期刊
1草酸理化特性
草酸又稱乙二酸,作為眾多有機強酸中一種最簡單的二元羧酸,易溶于乙醇,可溶于水,微溶于乙醚,不溶于苯和氯仿等有機溶劑。草酸是無色透明晶體或粉末,通常以二水化合物(H2C2O42H2O)形態存在于自然界,具有2種晶體結構形態(菱形的α型和單斜晶形的β型),相對密度約為1.65,晶體折射率為1.54[6]。草酸在190°C或遇濃硫酸時分解成二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)及水[7]。草酸的酸度比醋酸強約一萬倍,具有酸的通性,也是一種強還原劑。草酸還具有毒性和腐蝕性,也是一種強螯合劑,能夠與金屬離子(如鈣離子Ca2+)等螯合形成草酸鹽(如草酸鈣等)[2]。其中,真菌中草酸通常以草酸鹽的形態存在[8]。
2草酸代謝途徑
草酸是生物體內一種重要的代謝產物[1]。其中植物草酸合成途徑主要包括乙醛酸/乙醇酸途徑、抗壞血酸途徑和草酰乙酸途徑[9-10]。不同于植物,真菌草酸合成主要是通過三羧酸循環(tricarboxylicacidcycle,TCA)、乙醛酸循環(glyoxylicacidcycle,GAC)和草酰乙酸途徑 [2,11],其中草酰乙酸途徑起源尚未明確[12]。真菌草酸合成的相關研究開展較早,1877年首次報道在27種真菌培養基中檢測到草酸[13]。1900年在釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)的液體培養基中也發現草酸,隨后陸續發現眾多真菌能夠合成草酸[14]。真菌中影響草酸生物合成的因素主要包括碳源、氮源等營養條件以及pH值等環境因素[11]。
例如,寄生隱叢赤殼(Cryphonectriaparasitica)在以碳酸鈣為碳源的培養基中產生的草酸最多,在pH值達到5.0及以上時積累大量草酸[15]。同時,草酸的產生也與多種酶有關。例如,核盤菌(Sclerotiniasclerotiorum)的草酸合成主要通過草酰乙酸乙酰水解酶(oxaloacetateacetylhydrolase,OAH)催化水解草酰乙酸(oxaloaceticacid)生成草酸[16]。此外,核盤菌的過氧化物酶體系內的肉堿乙酰轉移酶(carnitineacetyltransferase,CAT)也參與調控草酸的合成[4]。
草酸的降解主要有氧化和脫羧兩種途徑。其中,氧化途徑由草酸氧化酶(oxalateoxidase,OXO)催化,使草酸轉化為二氧化碳(CO2)和過氧化氫(H2O2),主要存在于部分真菌如淡黃褐栓菌(Trametesochracea)和小麥矮腥黑粉菌(Tilletiacontraversa)中[17];而脫羧途徑主要存在于部分真菌如黑曲霉(Aspergillusniger)和綿腐臥孔菌(Postiaplacenta)內,通過草酸脫羧酶(oxalatedecarboxylase,ODC)使草酸轉化為甲酸(HCOOH)和二氧化碳(CO2)[18]。
例如,在環境pH呈酸性條件下,黑曲霉(.niger,pH1.1)的ODC活性被誘導增加,以降低OA等無機酸對生長的抑制作用[19];綿腐臥孔菌(Postiaplacenta)通過ODC降解草酸,調節細胞內和菌絲周圍的草酸濃度[11]。另外,真菌草酸降解途徑作為靶標已用于真菌病害的防治。
通過調控植物的OXO和ODC表達分解草酸,減弱草酸作用,抵御病原真菌的侵染,提高植物抗性[20-21]。例如,過表達OXO基因的轉基因番茄對草酸具有較高的耐受性,活性氧的積累能力增強,對灰霉病和菌核病的抗性提高[22],轉基因大豆也具有明顯的抗菌核病性狀[23-24]。此外,過表達ODC基因的轉基因番茄和萵苣對核盤菌具有顯著的抗性[25-26]。
3產草酸真菌
文獻檢索(1877−2021年)統計結果表明,多種真菌能夠產生草酸。產草酸真菌的種類主要屬于子囊菌門和擔子菌門。其中,植物病原真菌主要包括:引起玉米、高粱、花生、蘋果等腐爛病[27]的曲霉屬(Aspergillus)真菌,導致番茄、瓜類、煙草和豆科等灰霉病[28]的葡萄孢屬(Botrytis)真菌,造成向日葵、油菜、大豆等油料作物及郁金香等園藝作物菌核病[29]的核盤菌屬(Sclerotinia)真菌。此外,一些菌根真菌如網褶菌屬(Paxillus)[30]、部分降解木質素的工業真菌如栓孔菌屬(Trametes)[11]及少量食用菌如金錢菌屬(Collybia)[31]也能夠產生草酸。
4真菌草酸的作用
4.1影響真菌的生長與發育
研究表明,草酸能夠影響真菌的生長與發育[62]。例如核盤菌通過產生草酸以營造適宜菌核發育的酸性環境,實現對不良環境的抗逆性[63-64]。核盤菌菌核滲出液中的草酸可促進真菌分泌的細胞壁降解酶的活性降解寄主植物細胞壁,并為菌核發育提供營養來源[65]。
核盤菌分泌的草酸降低環境pH值,進而提高絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinase,MAPK)的活性,調控菌核的發育[66];肉堿乙酰轉移酶(carnitineacetyltransferase,CAT)的缺失引起核盤菌Ssoah1基因的表達降低,進而草酸分泌減少,導致菌核發育缺陷、附著胞畸形及侵染墊(infectioncushion)功能喪失[4]。通過紫外線誘導或同源重組的方法獲得的核盤菌oah基因突變體菌株,表現為草酸合成及菌核形成能力降低[67-68]。
此外,綿腐臥孔菌(.placenta)通過分泌OXO降解草酸,以維持營養體菌絲周圍的pH值,避免草酸濃度過高而抑制菌絲生長[11]。草酸還能夠抑制重寄生真菌小盾殼霉(Coniothyriumminitans)的菌絲生長和孢子萌發,減弱其對核盤菌的重寄生作用[69]。
4.2參與病原真菌的致病性及與寄主植物互作
草酸是死體營養型(necrotrophic)植物病原真菌侵染植物的關鍵因素之一,是一種重要的致病或毒性因子[21,36]。草酸通過毒素作用、酸化寄主植物組織環境、參與細胞壁降解和誘導產生活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)等方式,在真菌與寄主植物的互作中發揮重要作用[2,51]。
(1)毒素特性草酸具有毒素作用,誘導寄主植物形成與病原真菌(如核盤菌)侵染相似的癥狀,在真菌侵染過程中發揮重要作用[36]。例如,核盤菌在侵染初期分泌大量草酸,在寄主組織中不斷積累;隨著侵染部位草酸濃度的不斷升高,在胞間層內直接產生毒素作用,引起寄主細胞壞死[70-71],影響患病植物逆境響應調控[72]。此外,一些植物(如大麥、玉米、燕麥、大米、黑麥、小麥等)具有OXO活性,可以將真菌分泌的草酸氧化分解為H2O2,既降低草酸的毒素作用,同時產生的H2O2也不利于病原真菌的侵入及擴展[73]。
(2)酸化作用真菌通過分泌草酸營造有利于侵染的酸性環境[70]。例如,核盤菌在侵染初期分泌草酸,酸化寄主細胞環境,利于病原菌侵染[74-75]。隨著寄主植物細胞環境酸度增加,細胞膜的脂質過氧化水平也隨之升高,進而改變細胞的通透性,導致細胞喪失水分并引起細胞器結構損傷,加速細胞死亡[16,76]。
草酸可調節植物保衛細胞(guardcell)的開放。病原真菌分泌并積累草酸,調控離子(如K+)通道,干擾脫落酸(abscisicacid)誘導的氣孔關閉,利于病原真菌侵入寄主植物[74]。在病原菌侵染過程中,真菌分泌的草酸誘導寄主植物的ROS反應及細胞程序性死亡(programmedcelldeath,PCD)[21]。此外,草酸與磷酸根離子(PO43−)存在顯著正相關性,菌根真菌(mycorrhiza)分泌的草酸能夠增強土壤中磷元素溶解和流動[77]。
例如,草酸青霉(.oxalicum)和黑曲霉(.niger)能夠通過產生草酸營造酸性環境以提高難溶性磷化合物的溶解[44]。許多菌根真菌通過分泌草酸與銨離子結合形成草酸銨(ammoniumoxalate),實現對重金屬離子(如鉛、銅和鋅離子)的耐受性[8]。另外,菌根真菌分泌的草酸也加速土壤風化,提高伴生植物吸收營養的有效性[2]。例如,真菌草酸通過螯合土壤中的鋁和鐵影響鋁離子和鐵離子的運輸,促使磷酸鹽易被植物根系吸收[78-80]。
(3)細胞壁降解酶的酶促活性
植物細胞壁具有抵御病原真菌侵染及逆境的作用[81],而植物病原真菌侵染和定殖通常與寄主的細胞壁降解相關[58]。植物病原真菌致病過程中產生細胞壁降解酶類(cellwalldegradingenzyme,CWDE),如纖維素酶(cellulase)、木質素降解酶(lignindegradingenzyme)、果膠酶(pectinase)和多聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase,PG)等,降解寄主植物角質層和細胞壁,實現侵染與擴展[82]。隨著病原菌的侵染及定殖,草酸的積累導致CWDE活性增強,進而促進真菌侵入及病害擴展[83]。
例如,真菌分泌的PG有助于真菌的侵入和定殖,而真菌分泌的草酸能夠將寄主組織的pH值降至PG活性適宜水平[84-85]。典型的死體營養型植物病原真菌(如核盤菌和灰霉菌)通過分泌草酸可將侵染部位細胞環境pH值降至5.0左右,而這類真菌所產生的CWDE(如PG)活性最適pH值一般小于6.0[86]。真菌草酸發揮協同作用,使立枯絲核菌(.solani)和齊整小核菌(S.rolfsii)分泌的PG更易水解寄主植物果膠層,有助于病原菌的侵入[87]。
此外,真菌草酸也通過螯合植物細胞壁的鈣離子(Ca2+)形成草酸鈣晶體,創造有助于真菌侵入寄主細胞角質層的環境,加速患病組織的細胞壁降解,破壞寄主植物細胞壁完整性及免疫反應[2,88]。草酸還能夠影響植物產生的抑制真菌PG活性的蛋白(如polygalacturonase-inhibitingprotein,PGIP)活性,從而逃避植物防衛反應[89]。
(4)誘導活性氧產生植物病原真菌侵染寄主過程中,草酸作用具有兩面性[5]。一方面,草酸在侵染過程中誘導寄主植物ROS產生,促進核盤菌的侵染[66];另一方面,草酸抑制寄主植物氧暴發反應,改變寄主體內氧化還原水平,解除寄主防衛反應,誘導寄主PCD實現真菌的侵染和擴展[68]。例如,核盤菌分泌的草酸降低患病細胞環境pH值或螯合鈣離子來抑制寄主的氧暴發反應,或直接抑制氧暴發相關的多酚氧化酶(polyphenoloxidase)、阻斷氧化酶激活的識別信號轉導,降低寄主的抗性[21,90]。
此外,核盤菌侵染過程中,草酸發揮動態調控作用。核盤菌侵染初期,草酸抑制ROS產生和胼胝質(callose)沉積等防衛反應;而侵染后期,草酸誘導寄主的ROS水平升高,誘發寄主細胞PCD反應,促進腐生性病原菌在寄主內的進一步擴展[63]。蛋白質組水平分析也表明,草酸通過調控ROS與植物激素信號網絡,誘導寄主植物產生抗性[72]。因此,低濃度草酸已用于抗灰霉病的番茄品種選育[91]。
5草酸相關基因功能
植物病原真菌的草酸合成及其他相關調控基因的功能研究逐漸開展,主要影響真菌的草酸代謝、生長和發育、致病性等。其中,真菌草酸合成相關基因研究表明,核盤菌Ssoah基因突變導致草酸無法產生且菌核形成受阻[68]。近期,有研究發現microRNA-likeRNAs通過靶向草酸相關基因(如oah)參與核盤菌草酸合成與調控[92]。灰霉菌BcOah基因敲除后致病性減弱和毒性降低[28]。金黃殼囊孢菌(Cytosporachrysosperma)的CcOah缺失,導致無法合成草酸、分生孢子數量減少、毒性顯著降低[40]。真菌草酸降解相關基因具有重要的作用,例如核盤菌Ssodc2基因敲除后草酸和致病性顯著降低[93]。
此外,一些基因也影響真菌草酸的產生,例如核盤菌SsCaf1和SsSOD1基因敲除后草酸分泌的能力明顯下降,生長發育及致病性等也顯著受阻[94-95]。核盤菌黑色素合成途徑SCD1和THR1基因缺失,能夠降低草酸的產生,影響菌核發育[96]。黑曲霉OAH基因敲除后草酸的合成完全被阻斷[27],過表達oahA基因的黑曲霉的草酸產量約為野生型菌株的2倍[33]。
6展望
真菌分泌的草酸具有多種功能和作用,在真菌的生長發育及侵染寄主植物等方面具有重要意義。本文梳理了真菌草酸的理化特性、代謝途徑、產草酸真菌種類、作用影響及相關基因功能等研究進展,總結了草酸在真菌的生長發育和致病機制等方面的重要作用,但關于真菌草酸的系統性研究仍有待加強。未來真菌草酸研究的開展應關注以下幾個方面:
(1)產生草酸的真菌資源調研與利用范圍有待拓展,特別是模式真菌及重要植物病原真菌;(2)真菌草酸的完整合成途徑及調控機制仍有待明確,如草酰乙酸途徑源于TCA或GAC或兩者尚未解析。(3)草酸對真菌生命活動的作用仍有待系統性開展,包括高通量組學分析發掘大數據信息并構建調控網絡或發掘重要因子,采用多種技術(如基因敲除、RNAi沉默、CRISPR/Cas等)明確基因功能等;(4)產生草酸的植物病原真菌引起的作物病害綠色防控方法有限,隨著農藥過量使用、環境污染及抗藥性發生等問題不斷出現,加快探索植物病原真菌的致病機理與重要致病因子(如草酸)的生物學功能具有重要意義。
REFERENCES
[1]NoonanSC,SavageGP.Oxalatecontentoffoodsanditseffectonhumans[J].AsiaPacificJournalofClinicalNutrition,1999,8(1):64-74
[2]DuttonMV,EvansCS.Oxalateproductionbyfungi:itsroleinpathogenicityandecologyinthesoilenvironment[J].CanadianJournalofMicrobiology,1996,42(9):881-895
[3]ConnollyJH,JellisonJ.Calciumtranslocation,calciumoxalateaccumulation,andhyphalsheathmorphologyinthewhite-rotfungusResiniciumbicolor[J].CanadianJournalofBotany,1995,73(6):927-936
[4]LibertiD,RollinsJA,DobinsonKF.PeroxysomalcarnitineacetyltransferaseinfluenceshostcolonizationcapacityinSclerotiniasclerotiorum[J].MolecularPlantMicrobeInteractions,2013,26(7):768-780
[5]PalmieriF,EstoppeyA,HouseGL,LohbergerA,BindschedlerS,ChainPSG,JunierP.Oxalicacid,amoleculeatthecrossroadsofbacterial-fungalinteractions[J].AdvancesinAppliedMicrobiology,2019,106:49-77
[6]DerissenJL,SmithPH.Refinementofthecrystalstructuresofanhydrousα-andβ-oxalicacids[J].ActaCrystallographicaSectionBStructuralCrystallographyandCrystalChemistry,1974,30(9):2240-2242
作者:王澤昊,田佳美,孫慧穎,丁鋮松,安夢楠,楊新宇,梁月
轉載請注明來自發表學術論文網:http://www.cnzjbx.cn/wslw/28689.html