今天分享的内容是来自 László G. Nagy团队最新发表在国际经典期刊Current biology（中科院一区TOP，IF=8.1）杂志上的文章。论文题目“An evolutionarily ancient transcription factor drives spore morphogenesis in mushroom-forming fungi”，为大型真菌孢子形成的分子机制提供了新的见解。

摘要：孢子形成是真菌最广泛且重要的繁殖方式，同时也是食药用菌生产中至关重要的性状之一。然而，目前对于真菌尤其是大型真菌孢子形成的遗传学机制仍然知之甚少。本研究首次系统性地探讨了担子菌中担孢子形成的遗传学基础，在灰盖鬼伞中鉴定出了影响担孢子形成的转录因子Srr1及并探究了其调控网络。研究表明，Srr1主要调控减数分裂后担孢子的发育，而不会影响子实体的其他发育过程，其在侧耳属中具有类似的保守功能。本研究利用转录组测序和motif分析，鉴定出了Srr1所结合motif及其调控网络。通过比较基因组学和系统地层学，发现了可能在担孢子弹射中发挥作用的重要基因，证明了其中一个几丁质酶基因ChiE2在担孢子形成/弹射过程可能发挥重要作用。总体而言，本研究系统性地探究了担子菌门担孢子形态发生的遗传调控机制，为进一步理解真菌孢子形成的分子基础提供了重要线索，为食药用菌产业中孢子形成这一重要性状提供了靶标基因。

主要结果：

1.伞菌纲中新鉴定的转录因子Srr1参与调控担孢子形成

通过整合多个伞菌纲物种的组织特异性转录组数据，本研究首次鉴定出一个在多个大型真菌菌褶组织中特异性表达的C2H2型锌指转录因子Srr1（Sporulation-related regulator 1）。在模式物种灰盖鬼伞中通过CRISPR/Cas9技术敲除该基因后，突变体表现出显著的表型缺陷：成熟子实体虽能完成形态发育，但完全丧失产生黑色担孢子的能力（图1A-B）。值得注意的是，突变体在菌丝生长、分生孢子形成及子实体早期发育阶段均与野生型保持表型一致。显微观察结果显示，突变体可以正常完成减数分裂过程，但孢子发育在担子梗形成后发生停滞，表现为担孢子无法进行后续的细胞膨大（图1C）。

图1. srr1突变体和野生型菌株的子实体、菌褶和担子的表型比较

2. Srr1在伞菌纲(Agaricomycetes)中广泛保守

通过分析189个真菌基因组并构建基因的最大似然树，发现Srr1在Agaricales、Atheliales、Boletales、Amylocorticiales、Polyporales,、Jaapiales,、Russulales,和Gloeophyllales等多个进化分支中广泛存在，但在伞菌纲的其他分支中缺失（图2A-B）。这表明Srr1可能起源于Russulales及其衍生类群的共同祖先。此外，Srr1在大多数物种中以单拷贝形式存在，仅在个别种类（如Suillus luteus）存在基因复制。尽管Srr1蛋白的整体序列保守性较低，但其三个C2H2型锌指DNA结合结构域及其上游约50个氨基酸高度保守（图2C-D）。

图2. Srr1在大型真菌中的进化保守性分析

3. Srr1在侧耳属中功能保守

系统发育分析表明，Srr1在侧耳属物种中存在同源基因并在菌褶组织中上调表达。为了进一步探究Srr1在侧耳属中的功能，采用RNA干扰技术在Pleurotus cornucopiae敲低其Srr1同源基因g1654（图4A）。在子实体培养实验中，RNAi菌株的子实体形态与野生型菌株相似，但是孢子产量显著降低（图3B）。这些结果表明，g1654参与P.cornucopiae的孢子形成，基因表达的降低导致孢子数量减少。因此，Srr1在侧耳属中具有保守的调控孢子形成的功能。

图3. srr1同源基因在Pleurotus cornucopiae中的功能验证。

4. Srr1主要作为激活因子发挥作用

为探究Srr1调控的下游基因，本研究对野生型和Δsrr1菌褶组织进行了转录组测序及分析（图4A），发现Δsrr1菌株中有559个基因显著下调，而仅154个基因上调（图4B），表明Srr1主要作为转录激活因子发挥作用。对下调表达的基因进行功能分析后，发现它们在真菌细胞壁重塑、芳香族氨基酸生物合成、及TOR信号通路中发挥了重要作用。

图4. srr1突变体的转录组分析。

5. Srr1结合的motif及调控网络的分析

本研究建立了下调表达基因不同长度的启动子数据集（图5A），通过STREME对不同启动子数据集进行富集分析，在所有数据集中均发现了一个显著富集的motif（GTGGCTGAC）（图5B），其不同变体出现在27.06–46.99%的下调基因启动子区域中。通过独立软件（Cys2His2 Zinc Finger predictor）进一步利用Srr1的蛋白序列独立预测其结合motif，得到了类似的结果(GTGGCDHWG)（图5C），两种独立方法表明该序列很可能为Srr1真实的结合位点。通过motif序列，判断了Srr1对于下游基因的直接或间接的调控关系，同时整合可能调控Srr1的上游信号，预测了Srr1的调控网络（图5D）。

图5. Srr1调控网络的预测模型

6. Srr1的下游基因ChiE2参与孢子的形成并潜在调控孢子弹射

担孢子弹射发生在孢子形成之后，因此其调控可能位于Srr1作用的下游。本研究利用srr1突变体转录组数据和189个真菌基因组数据，通过系统地层学和比较基因组学探究了担孢子弹射的遗传基础。通过对于155种具有弹射孢子的担子菌、20种非弹射孢子的担子菌(如松露菌、鸟巢菌、马勃等)及7种子囊菌的基因丢失模式分析，发现了12个基因的直系同源群可能与担孢子弹射相关，其中包含一个Srr1的潜在靶基因ChiE2（图6A）。ChiE2属于GH18家族几丁质酶，在srr1突变体中显著下调，并在多个担子菌中的菌褶（或菌盖+菌褶）中高表达，表明其可能在孢子形成或者担孢子弹射中发挥作用。ChiE2基因功能验证表明其敲除突变体中的孢子数量相对野生型明显减少，孢子形态异常且颜色较浅，但其子实体发育过程、担子和担子梗形态未见明显异常（图6B-C）。这表明ChiE2可能是一种特异性调控孢子形成的几丁质酶，主要参与担孢子细胞壁的组装和重塑，确保担孢子具有合适的形状，以利于弹射孢子。但由于灰盖鬼伞中的担孢子弹射与自溶作用同时发生，目前难以直接测定ChiE2是否影响弹射过程，但其在维持孢子形态中的作用可能间接影响弹射效率。

图6. 系统发育分层分析及ChiE2突变体的表型分析

总结与展望：

减数分裂后担孢子的发育是担子菌生命周期中的关键事件之一，本研究鉴定了一个新的转录因子Srr1在大型真菌减数分裂后孢子发育中的关键作用并解析了其可能的调控网络。尽管担孢子形成的遗传调控网络远比本研究所揭示的更为复杂，但我们的结果为进一步研究担孢子形成的分子机制提供了新的认识，Srr1及其下游的调控基因为孢子形成这一重要性状的改良提供了靶标基因。

匈牙利HUN-REN塞格德生物研究中心真菌基因组学与进化团队PI Laszlo G. Nagy为本文通讯作者，博士生侯志浩为本文的第一作者，山东农业大学植物保护学院张妍博士、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所高巍副研究员及硕士生杨雅舒参与了此项工作。

原文地址：https://doi.org/10.1016/j.cub.2025.02.025