2018-06-13
交叉保護是微生物中的一種常見現象，通過這種現象微生物暴露于輕微的壓力下不僅對較高劑量的相同壓力產生耐受性，而且還對其他壓力產生耐受性。目前交叉保護機制尚未完全了解。本文使用綠僵菌作為模型，顯示丙酮酸是一種普遍的應激分子，應激誘導的丙酮酸積累是一種交叉保護機制。作者發現氧化和滲透/鹽脅迫會產生丙酮酸積累，這種積累可清除應激誘導的活性氧并促進真菌生長。因此，應激誘導的丙酮酸積累有助于交叉保護。RNA-seq和qRT-PCR分析表明，UV，滲透/鹽和氧化應激條件降低了在三氯乙酸循環和發酵途徑中導致丙酮酸蓄積的丙酮酸消耗基因的表達水平。
RNA-seq材料：非應激菌絲、UV輻射菌絲、滲透/鹽脅迫菌絲、氧化應激菌絲
測序平臺：Illumina HiSeq 2500
測序公司：上海派森諾生物技術股份有限公司
作者制備了具有比正常（NH）更高（HH）和更低（LH）丙酮酸水平的熱休克WT菌絲，并比較了它們對熱休克的耐受性，結果表明丙酮酸促進了熱休克菌絲的生長速率，在熱休克耐受中起主導作用。
圖1 丙酮酸積累在耐熱沖擊耐受性中起主導作用
熱誘導的丙酮酸積累賦予針對多種非生物脅迫的保護作用
作者在之前的研究中（Zhang等，2017）發現短時間（10min）熱處理（在本研究中被稱為熱休克）誘導了丙酮酸和小HSP（MAA_10381）的快速積累。為了區分HSP MAA_10381和丙酮酸在熱休克耐受中的作用，構建了MAA_10381的缺失突變體。與非熱休克對照相比，在氧化（圖2A），OP /鹽（圖2B）和UV（圖2C）脅迫下，熱休克預處理的WT和MAA_10381菌絲生長顯著更快。熱激WT和MAA_10381菌絲之間的生長速率沒有顯著差異（圖2A，B和C）。這些結果表明，熱休克增加了菌絲對氧化應激和UV應激及OP /鹽脅迫的耐受性，熱休克誘導的HSP上調（MAA_010381）不參與這種交叉保護。且比較了三種脅迫下熱休克的NH，HH和LH菌絲的生長速率，結果表明熱休克誘導的丙酮酸積累降低了對UV，OP /鹽和氧化應激的敏感性（圖3）。
圖2 熱休克可誘導抗紫外線、氧化和OP/鹽脅迫的交叉保護
圖3 丙酮酸積累對熱休克引起的抗紫外線，氧化和OP /鹽脅迫的交叉保護很重要
UV，氧化和鹽脅迫誘導丙酮酸積累
丙酮酸積累是一種防止紫外線，OP /鹽和氧化應激的熱休克誘導交叉保護機制，作者假設了這三種壓力也會引起丙酮酸積累，并通過實驗得到了驗證（圖4）。
圖4 三種非生物脅迫下菌絲丙酮酸濃度
進一步的實驗表明積累的丙酮酸在OP /鹽脅迫、UV輻射、氧化應激下清除ROS并促進真菌生長（圖5,6）。
圖5 丙酮酸積累在三種非生物脅迫下清除ROSs
圖6 丙酮酸的積累在三種非生物脅迫下促進真菌生長
應激誘導丙酮酸積累的機制
為了研究UV，OP /鹽和氧化脅迫誘導丙酮酸積累的機制，作者比較了在1 / 2SDY（非脅迫對照），OP /鹽脅迫、氧化應激、UV處理下的菌絲體的轉錄組，從366991個基因中找到635個差異表達的基因，其中35個差異基因是受三種非生物脅迫共同擁有的。其中一種（MAA_09321）編碼L-丙酸脫氫酶，其是將丙酮酸發酵成乳酸鹽的關鍵。為了了解三種脅迫對丙酮酸代謝的影響，使用qRT-PCR進一步研究了所有綠僵菌的34個丙酮酸代謝基因的表達水平（圖7）。
圖7 qRT-PCR分析丙酮酸代謝基因的條件下和三個非生物脅迫
用OP /鹽或氧化應激進行預處理可以抵抗其他非生物脅迫的交叉保護
如上所述，丙酮酸積累有助于熱休克誘導的抗UV，OP /鹽和氧化應激的交叉保護，并且這些應激也誘導丙酮酸積累。因此，作者又研究了OP /鹽，氧化或UV脅迫條件與菌絲對多種脅迫的耐受性的關系，表明用OP /鹽或氧化應激進行預處理可以抵抗其他非生物脅迫的交叉保護。
圖8 由OP/鹽、氧化或UV輻射脅迫條件引起的交叉保護
參考文獻：Zhang X, St Leger RJ, Fang W，Stress-induced pyruvate accumulation contributes to cross protection in a fungus. Environ Microbiol. 2018 Mar;20(3):1158-1169.
影響因子：5.395
