丝状真菌次级代谢产物的功能与合成调控研究进展

耿青如,杨飞洋,王雨荷,车雨微,杨坤龙

菌物学报 ›› 2020, Vol. 39 ›› Issue (3) : 539-547.

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菌物学报 ›› 2020, Vol. 39 ›› Issue (3) : 539-547. DOI: 10.13346/j.mycosystema.190340 CSTR: 32115.14.j.mycosystema.190340
综述

丝状真菌次级代谢产物的功能与合成调控研究进展

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Research advance in functional and synthetic regulation of secondary metabolites of filamentous fungi

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摘要

真菌是具有高度多样性的微生物资源,其产生的次级代谢产物具有很多重要的作用,如紫外线防护,自身发育以及防御外部侵害,而这些次级代谢产物的生物合成需要多个基因参与调控。本文主要综述了真菌次级代谢产物的药用价值,在真菌发育过程中的生态功能以及合成调控机制。

Abstract

Fungi are highly diverse organisms producing secondary metabolites with many important functions such as UV protection, self-development and defense against external aggression. The biosynthesis of these secondary metabolites requires participation of multiple genes. In this paper the medicinal value of secondary metabolites of filamentous fungi, the ecological functions during fungal development and the mechanisms of synthetic regulation are reviewed.

关键词

真菌 / 次级代谢产物 / 生态功能 / 表观遗传调控

Key words

fungi / secondary metabolites / ecological function / epigenetic regulation

引用本文

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耿青如, 杨飞洋, 王雨荷, 车雨微, 杨坤龙. 丝状真菌次级代谢产物的功能与合成调控研究进展[J]. 菌物学报, 2020, 39(3): 539-547 https://doi.org/10.13346/j.mycosystema.190340
GENG Qing-Ru, YANG Fei-Yang, WANG Yu-He, CHE Yu-Wei, YANG Kun-Long. Research advance in functional and synthetic regulation of secondary metabolites of filamentous fungi[J]. Mycosystema, 2020, 39(3): 539-547 https://doi.org/10.13346/j.mycosystema.190340
禾谷镰孢菌Fusarium graminearum Schwabe引起的小麦赤霉病(Fusarium head blight, FHB)是全世界主要的麦类病害之一,其发生区域广泛,危害严重(McMullen et al. 1997;Prandini et al. 2009)。禾谷镰孢菌在入侵的过程中会产生DON毒素,该毒素能够引起人畜发生腹泻、头晕、呕吐等中毒反应,严重影响人畜食用安全(Pinton et al. 2009;Audenaert et al. 2013)。目前,在农业生产上使用杀菌剂是控制小麦赤霉病发生和危害的主要策略,其中以戊唑醇、丙环唑、咪鲜胺等唑类杀菌剂及其复配剂应用最为广泛,然而随着唑类杀菌剂过量及不科学地使用导致禾谷镰孢菌的耐药性日益严重,因此禾谷镰孢菌的耐药性问题是目前小麦生产上面临的重要问题,也是农业领域的研究热点之一。
基因在转录水平的表达调控在许多生命过程中发挥着决定性的作用(Reiter et al. 2017),作为转录调控重要参与者的转录因子一直受到研究者的关注。在禾谷镰孢菌中,目前已经有多个转录因子的生物学功能被报道,这些转录因子涉及禾谷镰孢菌DON毒素合成、致病性、耐药性等多种表型的调控。如转录因子FgAtrR、Fg01341、Fg01350、Fct1、Fct2、FgTfmI、FgCrz1A等在禾谷镰孢菌的致病过程中起着重要的调控作用,敲除这些转录因子的编码基因后,禾谷镰孢菌的致病性会显著降低甚至完全丧失(Chen et al. 2019;Liu N et al. 2019;Kim et al. 2020;Shin et al. 2020;Zhang et al. 2020;Zhao Y et al. 2022)。
bZIP转录因子,即碱性亮氨酸拉链转录因子,由碱性区(basic region)和亮氨酸拉链(leucine zipper)区两部分构成,普遍存在于真核生物中(Tsukada et al. 2011)。bZIP转录因子广泛参与病原菌的生长、代谢、胁迫反应和致病力等多种生物功能的调控(Fernandes et al. 1997)。如丝状真菌黄曲霉中bZIP转录因子AflRsmA通过调节氧化应激反应来调控黄曲霉毒素B1 (AFB1)产量(Wang et al. 2020);稻瘟病菌中bZIP转录因子MobZIP22和MobZIP13分别在硫代谢和铁稳态中发挥作用,MobZIP11则以活性氧依赖的方式调控稻瘟病菌对植物寄主的致病力(Kong et al. 2015);假禾谷镰孢菌中bZIP转录因子FpAda1可以调控菌丝生长和分枝、分生孢子产量、渗透胁迫和致病力等多种生物学功能,FpAda1的缺失还会导致分生孢子中的核形态异常(Chen et al. 2020)。
bZIP转录因子也是生物体硫同化过程中的核心正调控因子。构巢曲霉中bZIP转录因子MetR和MetZ在硫代谢中起到重要的调控作用,MetR是参与无机硫同化的基因表达所必需的,在有机硫存在下,MetR可能被泛素化降解,导致硫同化基因的转录被关闭(Yu et al. 2021);与MetR的转录不同,MetZ的转录由依赖于MetR蛋白的硫代谢物抑制系统(SMR)控制,而且MetZ的过表达可以部分恢复MetR缺失导致的表型缺陷(Pilsyk et al. 2015);链格孢bZIP转录因子AaMetB、AaMetC和AaMetX是甲硫氨酸生物合成所必需的,AaMetR对半胱氨酸生物合成是必需的,外源半胱氨酸可以恢复MetR缺失导致的生长和毒力缺陷(Gai et al. 2021);在扩展青霉中bZIP转录因子PeAP1不仅介导氧化应激反应,硫同化途径产物半胱氨酸的次级产物谷胱甘肽(GSH)的生物合成也受到PeAP1的调控(Chen et al. 2023)。
本研究通过生物信息学分析鉴定了构巢曲霉转录因子AnMetR在禾谷镰孢菌中的同源蛋白FgMetR (FGSG_05171),并分析了其在禾谷镰孢菌生长发育、色素合成、硫代谢、无性及有性生殖、致病力和唑类杀菌剂的敏感性等生物学过程中的调控作用。研究结果更加全面地揭示了FgMetR的生物学功能,为新型杀菌剂的研发提供了潜在靶标,为解决小麦赤霉病的防控以及耐药性问题提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试菌株、质粒和培养条件

禾谷镰孢菌Fusarium graminearum野生型菌株PH-1由本实验室于-80 ℃冰箱长期保存,ΔFgMetR敲除菌株和ComFgAtrR互补菌株在本研究中获得。除特殊说明外,所有禾谷镰孢菌菌株都在马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)固体培养基上25 ℃培养。在测定上述菌株的分生孢子产量实验中,于羧甲基纤维素(CMC)液体培养基中培养。大肠杆菌DH5α感受态菌株、pKN质粒和pRGTN质粒由实验室长期保存。

1.1.2 常用试剂和药剂

限制性内切酶购自TaKaRa公司;Super- Fidelity高保真酶、Taq酶购自南京诺唯赞生物科技股份有限公司;崩溃酶、溶菌酶、Hygromycin B、DIG-High Prime DNA Labeling and Detection Starter Kit购自Roche公司;蜗牛酶购自北京索莱宝科技有限公司;尼龙膜购自上海碧云天生物技术有限公司;98.5%戊唑醇、97%咪鲜胺原药由青岛中达农业科技有限公司提供。

1.1.3 培养基

PDA培养基:去皮马铃薯200 g、葡萄糖20 g、琼脂糖15 g、蒸馏水1 L,高温灭菌;CMC培养基:羧甲基纤维素钠15 g、硝酸钠2 g、硫酸镁0.5 g、磷酸二氢钾1 g、酵母提取物1 g、蒸馏水1 L,高温灭菌;LB培养基:胰蛋白胨10 g、酵母提取物5 g、氯化钠10 g、蒸馏水1 L (固体LB培养基加15 g/L琼脂粉),高温灭菌;胡萝卜培养基:胡萝卜200 g、琼脂粉9 g、蒸馏水1 L,高温灭菌;MM-S培养基:磷酸二氢钾1 g、氯化镁0.5 g、氯化钾0.5 g、硝酸钠2 g、蔗糖30 g、微量元素溶液0.2 mL、蒸馏水1 L,高温灭菌。

1.2 FgMetR的鉴定及生物信息学分析

从GenBank中下载AnMetR的氨基酸序列(XP_661965.1),使用该序列通过BLASTp程序检索禾谷镰孢菌的基因组(GCF_000240135.3)的编码蛋白,获得AnMetR同源蛋白FgMetR的氨基酸序列,使用SMART服务器预测FgMetR的结构域;利用NCBI提供的BLASTp程序检索其他真菌中MetR同源蛋白的氨基酸序列,使用ClustalW程序进行氨基酸序列比对,然后用ENDscript/ESPript服务器生成序列比对图;利用MEGA-X软件采用最大似然法构建FgMetR及其同源蛋白系统发育树。

1.3 FgMetR基因的敲除和互补体的构建

参照Zhao Y et al. (2022)的报道,利用Split- marker PCR的方法,通过多轮PCR将目的基因的侧翼序列分别与潮霉素抗性基因(HPH)的两部分融合,利用同源重组原理使融合片段替换掉野生型PH-1菌株基因组中的目的基因。通过潮霉素抗性筛选、PCR验证和Southern blot确认最终获得正确的敲除转化子。
通过常规分子生物学方法将FgMetR基因及其上游1 kb和下游约200 bp的序列亚克隆至pRGTN载体中得到pRGTN-NpFgMetR,然后通过PEG介导的原生质体转化将构建好的互补载体导入敲除体菌株中,经潮霉素和G418双抗性筛选和PCR验证确认最终获得正确的互补体。

1.4 生物学表型测定

以下表型实验中用到的各供试菌株的菌饼均取自活化培养4 d后的菌落边缘,直径为5 mm。所有的表型测定实验至少进行3次独立重复实验,每次实验中每个菌株至少3个重复。

1.4.1 营养生长和色素合成的测定

菌丝的径向生长:将打取的菌饼接种于PDA培养基上,在25 ℃培养箱中黑暗培养4 d后,利用十字交叉法测定菌落直径。
气生菌丝高度:将打取的菌饼接种于无菌试管内部的培养基中心,于25 ℃培养箱中黑暗培养4 d后,测量气生菌丝高度。
色素合成观察:每瓶PDB培养基中接种同一菌株的6个菌饼,于200 r/min、25 ℃黑暗摇培48 h,观察培养液颜色差异。

1.4.2 参与硫代谢测定

将菌饼分别接种至不含任何硫元素的MM-S培养基和分别添加终浓度2 mmol/L Na2S、终浓度1 mmol/L DL-甲硫氨酸(DL-Met)或终浓度 1 mmol/L L-甲硫氨酸(L-Met)的MM-S培养基平板上,于25 ℃培养箱中黑暗培养4 d后,观察各菌株的生长发育情况。

1.4.3 无性和有性生殖测定

分生孢子形成的诱导及产量测定:接种同一菌株的5个菌饼至CMC培养基,于25 ℃、200 r/min黑暗条件诱导产孢,摇培5 d后,吸取10 μL于血球计数板观察。
有性世代测定:将活化好的不同菌株接种于胡萝卜培养基,25 ℃培养,当菌丝长满整个培养基时,用无菌药匙刮取表面气生菌丝,加入1 mL 2.5% Tween60溶液并涂布均匀,晾至表面无明水封口。于25 ℃、黑光灯和黑暗环境每12 h交替环境下培养。期间,若培养基上长出新的菌丝,则重复上述步骤。培养20 d后,观察子囊壳形成情况。挑取子囊壳于载玻片上进行机械破碎,显微镜下观察子囊壳和子囊孢子形成情况。

1.4.4 致病力测定

小麦胚芽鞘致病性测定:将消毒处理的“济麦22”麦粒置于含无菌水的培养盘中保湿培养,待长出胚芽鞘后,用无菌剪刀剪去胚芽鞘上端1-2 mm,接种10 μL的孢子悬浮液(1×106个/mL)于伤口处,以无菌水作为对照,保湿培养2 d,然后正常培养14 d后测量病斑长度。每个菌株至少接种10个胚芽鞘。
小麦穗致病性测定:在“济麦22”处于扬花期时,选择生长状况良好、大小一致的小麦麦穗,用移液器吸取10 μL孢子悬浮液(1×106个/mL)接种到麦穗基部向上第5或6个小穗的外稃和内稃之间,接种后喷洒无菌水,套袋保湿2 d,14 d后测定发病情况。

1.4.5 唑类杀菌剂的敏感性测定

使用系列梯度稀释法配制各杀菌剂的母液,制备含不同浓度杀菌剂的带药培养基。将各菌株菌饼接种于不含杀菌剂(对照组)和含不同浓度杀菌剂(实验组)的PDA平板上,培养4 d后,采用十字交叉法测定菌落直径,计算各浓度杀菌剂对各菌株的抑制率。使用SPSS 20软件提供的概率回归模型获取毒力回归方程,并计算EC50值。

1.5 数据统计和分析

试验数据使用SPSS 20软件进行单因素方差分析,采用最小显著性差异法(LSD)在α=0.05水平上进行组间多重分析,使用GraphPad Prism 8.0进行统计绘图。文中数据为平均值±标准误,柱状图中的误差线表示3次独立实验的标准误,柱上的不同字母表示经LSD检测存在显著差异(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 FgMetR生物信息学分析

本实验中首先利用NCBI网站查找构巢曲霉Aspergillus nidulans AnMetR (登录号:XP_661965.1)的氨基酸序列,使用NCBI网站提供的BLASTp工具搜索禾谷镰孢菌参考基因组编码蛋白,仅检索到FGSG_05171蛋白(E value=2e-39),该蛋白全长281个氨基酸,与AnMetR的序列相似性为52.68% (序列一致性为38.59%)。SMART预测发现FGSG_05171的结构域组成与AnMetR类似,在184-244 aa上具有一个BRLZ结构域(SM000338) (图1A),分析FGSG_05171可能为AnMetR在禾谷镰孢菌中的一个同源蛋白,将其命名为FgMetR。作者同时检索了MetR蛋白在粗糙脉孢菌Neurospora crassa (XP_956815.2)、烟曲霉Aspergillus fumigatus (XP_752173.1)、轮枝镰孢菌Fusarium verticillioides (XP_018749504.1)、尖孢镰孢菌Fusarium oxysporum (XP_018243795.1)、交链格孢Alternaria alternata (XP_018383763.1)、扩展青霉Penicillium expansum (XP_016595843.1)、稻梨孢Pyricularia oryzae (XP_003709753.1)、灰葡萄孢Botrytis cinerea (XP_024548527.1),以及在裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe (NP_001342821.1)、酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae (NP_014296.4)和白色念珠菌Candida albicans (XP_717115.1)中的同源蛋白,并将其与AnMetR和FgMetR进行了全序列比对。我们发现FgMetR以上代表性真菌蛋白质序列在181-241 aa的BRLZ结构域均具有非常高的序列一致性(图1B),且FgMetR与酵母中相关蛋白仅在该结构域具有较高的序列相似性,说明该结构域在真菌的进化中相对保守。同时作者利用MEGA-X软件采用最大似然法构建了上述MetR同源蛋白的系统发育树(图1C),结果表明FgMetR和轮枝镰孢菌XP_018749504.1、尖孢镰孢菌XP_018243795.1在进化上可能具有更近的亲缘关系,而与酵母类真菌中相关蛋白亲缘关系较远。
图1 FgMetR蛋白结构域组成、氨基酸序列比对及系统发育树分析 A:FgMetR的蛋白结构域组成;B:禾谷镰孢菌与代表性真菌中MetR同源蛋白的BRLZ结构域的多序列比对;C:禾谷镰孢菌与代表性真菌中MetR同源蛋白系统发育树

Fig. 1 FgMetR protein domain prediction, alignment of amino acid sequences and phylogenetic tree analysis. A: FgMetR protein domain architecture; B: Multiple sequence alignment of BRLZ domains in FgMetR orthologs from representative fungal species; C: Phylogenetic tree analysis of FgMetR orthologs from representative fungal species.

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2.2 FgMetR基因敲除突变体和互补体的获得及验证

利用同源重组的方法(图2A)构建敲除突变体,并用潮霉素筛选得到阳性转化子。对阳性转化子进行PCR检测,结果显示以PH-1的基因组为模板在M验证中可扩增得到预期大小的1 624 bp的片段,K1和K2验证中无条带扩出;以敲除转化子的基因组为模板在M验证中未扩增出条带,K1和K2验证中可以分别扩增得到预期的2 527 bp和2 720 bp的片段,初步得到2个正确的阳性转化子(图2B)。为进一步确定敲除体的正确性,将这2个转化子进行Southern blot验证,野生型和敲除体分别杂交得到与预期大小相符的3 269 bp和5 175 bp的单一条带,结果显示共得到2个敲除突变体ΔFgMetR-1和ΔFgMetR-2 (图2C)。为了验证ΔFgMetR的功能缺陷是由于敲除FgMetR引起,将含有目的基因的pRGTN-NpFgMetR重组载体转化入ΔFgMetR 的原生质体,转化子经G418抗性筛选并用互补片段特异性引物PCR扩增验证(图2D),获得1个互补菌株ComFgMetR。
图2 FgMetR基因敲除突变体与互补体的构建 A:FgMetR基因敲除与检测策略示意图;probe表示Southern blot探针位置,M、K1、K2分别表示B图中PCR扩增片段的位置,X表示Southern blot中酶切基因组使用的限制性内切酶XhoⅠ;B:PH-1菌株和敲除转化子PCR检测;C:PH-1菌株和敲除转化子Southern blot检测;D:敲除体和互补转化子的PCR检测

Fig. 2 Construction of FgMetR gene knockout mutants and complemented strains. A: Schematic diagram of FgMetR gene knockout and detection strategy; the probe label indicates the location of the probe used in the Southern blot anlysis; the labels M, K1 and K2 indicate the location of PCR fragments in Fig. 1B; the label X markes the location of restriction enzyme XhoⅠused for genomic digestion in Southern blot anylasis; B: PCR analysis of FgMetR deletion transformants; C: Southern blot analysis of FgMetR deletion transformants and PH-1 strain; D: PCR detection analysis of a FgMetR complemented strain and a FgMetR gene knockout strain.

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2.3 FgMetR影响禾谷镰孢菌营养生长和色素合成

为验证FgMetR缺失是否影响禾谷镰孢菌的生长发育,作者测定了FgMetR缺失后禾谷镰孢菌营养生长和色素合成的情况。实验结果显示,ΔFgMetR菌株在PDA培养基上呈透明状,菌丝稀疏分散,很少产生气生菌丝(图3A),将各菌株接种到PDB液体培养基中摇培48 h后,可见ΔFgMetR菌株培养液与野生型菌株培养液差异显著,ΔFgMetR菌株培养液较清澈,呈淡黄色,不产生红色素(图3B)。在PDA平板上培养96 h后,2个敲除菌株ΔFgMetR及野生型PH-1、互补菌株ComFgMetR的平均菌落直径分别为(4.48±0.06)、(4.37±0.06)、(7.65±0.04)和(7.48± 0.06) cm,ΔFgMetR菌株菌落直径显著小于野生型菌株和互补菌株(P<0.05) (图3C)。此外,作者还发现在PDA培养基上培养96 h后,野生型PH-1和互补菌株ComFgMetR可以产生茂密的气生菌丝,但敲除体ΔFgMetR几乎不产生气生菌丝(图3D)。以上结果表明,FgMetR参与了禾谷镰孢菌菌丝生长和色素合成的调控。
图3 不同菌株的菌落生长和色素形成情况 A:不同菌株在PDA培养基上生长4 d的菌落形态;B:不同菌株在PDB培养基里生长2 d后的色素形成情况;C:不同菌株在PDA培养基上培养4 d后的菌落直径,误差线表示3次独立实验的标准误,不同字母表示经LSD检验存在显著性差异(P<0.05);下同;D:不同菌株在试管中的PDA培养基上生长4 d后的气生菌丝生长情况

Fig. 3 Colony growth morphology and pigmentation of different strains. A: Colony morphology of different strains cultured on PDA plates for 4 days; B: Two-day-old PDB cultures of different strains; C: Colony diameters of different strains cultured on PDA plates for 4 days; Error bars indicate the standard error of three independent assays; Different letters above bars indicate significant difference using LSD test (P<0.05); Similarly hereinafter; D: Aerial hyphae of each strain in tubes cultured on PDA plates for 4 days.

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2.4 FgMetR参与禾谷镰孢菌中的硫代谢调控

已有的研究表型MetR在酿酒酵母、构巢曲霉等真菌中是硫代谢的核心正调控因子(Natorff et al. 2003;Brzywczy et al. 2011;Pilsyk et al. 2015),为了明确禾谷镰孢菌中FgMetR是否也参与硫代谢的调控,检测了禾谷镰孢菌野生型、FgMetR敲除体和互补体在不含任何硫元素和分别添加不同类型外源硫化合物(无机硫与有机硫)的培养基上的生长发育情况。结果显示野生型菌株PH-1与互补菌株ComFgMetR均能够在不含任何硫元素及添加无机硫(2 mmol/L Na2S)的MM-S培养基上生长,而2个敲除体ΔFgMetR菌株则无法正常生长。但当在MM-S培养基中添加有机态硫(1 mmol/L DL-Met或1 mmol/L L-Met)时则可以部分恢复FgMetR基因缺失导致的生长缺陷表型(图4)。以上结果表明FgMetR在禾谷镰孢菌的硫代谢调控中起到重要作用,是禾谷镰孢菌利用无机态硫源所必需的。
图4 FgMetR参与硫代谢调控 在MM-S培养基及含不同硫源的MM-S培养基上培养4 d的菌落形态

Fig. 4 FgMetR involving in the regulation of sulfur assimilation. Representative colony morphology of different strains incubated for 4 days on MM-S plates or MM-S plates supplemented with different sulfur source.

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2.5 FgMetR影响禾谷镰孢菌无性和有性生殖

无性繁殖和有性生殖在小麦赤霉病的发生和流行过程中发挥重要的作用,为了研究转录因子FgMetR在无性生殖和有性生殖中的作用,分别测定了不同菌株的分生孢子产量及子囊壳萌发。将各菌株在CMC培养基中培养5 d后,测定各菌株的分生孢子产量发现,2个敲除菌株ΔFgMetR及野生型PH-1、互补菌株ComFgMetR的平均产孢量分别为(4.83±0.27)×106、(4.89± 0.24)×106、(5.77±0.80)×106和(5.73±0.51)×106个/mL,敲除体ΔFgMetR菌株的产孢量显著低于野生型PH-1与互补菌株ComFgMetR的产孢量(P< 0.05) (图5A),但是显微观察显示各菌株产生的分生孢子形态没有显著差异。而将各菌株在胡萝卜培养基上培养20 d诱导发生有性生殖过程时,发现野生型PH-1与互补菌株ComFgMetR都可以产生正常的子囊壳、子囊和子囊孢子,但敲除体ΔFgMetR菌株完全不能形成子囊壳(图5B)。以上结果表明FgMetR参与禾谷镰孢菌分生孢子形成过程的调控,同时也是禾谷镰孢菌有性生殖所必需的。
图5 分生孢子产量测定和有性生殖过程观测 A:各菌株在CMC培养基中培养5 d后的分生孢子产量;B:各菌株在胡萝卜培养基上诱导有性生殖20 d后产子囊壳、子囊及子囊孢子情况

Fig. 5 Conidiation determination and observation of sexual reproduction. A: Conidial production of each strain after incubation in CMC medium for 5 d; B: Observation of the morphology of perithecia, asci and ascospore is produced on carrot medium after 20 days of sexual induction.

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2.6 FgMetR影响禾谷镰孢菌的致病力

禾谷镰孢菌是小麦赤霉病的主要病原菌,作者通过小麦胚芽鞘和小麦穗侵染试验探究了FgMetR缺失对禾谷镰孢菌致病力的影响。小麦胚芽鞘侵染试验中,在接种14 d后,野生型PH-1及互补体ComFgMetR菌株对小麦胚芽鞘侵染病斑较大,病斑长度分别为(4.2±0.06) cm和(3.90± 0.1) cm,而ΔFgMetR-1和ΔFgMetR-2的病斑长度仅为(0.14±0.01) cm和(0.15±0.03) cm,病斑显著小于野生型和互补体菌株(图6A,6B),表明FgMetR缺失后会导致禾谷镰孢菌对小麦胚芽鞘的致病力显著降低(P<0.05)。小麦穗侵染试验结果和小麦胚芽鞘侵染试验结果相近,PH-1菌株及ComFgMetR菌株侵染范围较大,可侵染接种点周围9-14个麦粒,而ΔFgMetR-1和ΔFgMetR-2仅能侵染接种点周围0-2个麦粒,无法大范围扩展,其致病力相比PH-1显著降低(图6C, 6D),表明FgMetR的缺失导致禾谷镰孢菌在小麦穗上的致病力显著降低(P<0.05)。由此可知,转录因子FgMetR是禾谷镰孢菌在小麦上发挥完全毒性所必需的。
图6 致病力检测实验 接种各菌株14 d后小麦胚芽鞘典型症状(A)、病斑长度(B)以及接种14 d后小麦穗的典型症状(C)和侵染小穗数(D)

Fig. 6 Pathogenicity test. The representative symptoms (A) and lesion length (B) on wheat cleoptiles inoculated by different strains in 14 d post-inoculation (dpi), and the representative symptoms (C) and the number of infected spikelets (D) on wheat head invaded by different strains in 14 days.

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2.7 FgMetR影响禾谷镰孢菌对戊唑醇和咪鲜胺的敏感性

戊唑醇、咪鲜胺等甾醇14α脱甲基酶抑制剂(demethylase inhibitors, DMIs)以及它们的复配制剂是目前生产上常用的小麦赤霉病防控药剂,为了解FgMetR缺失对禾谷镰孢菌响应杀菌剂的影响,测定了三唑类药剂戊唑醇和咪唑类药剂咪鲜胺对上述菌株的EC50值。戊唑醇敏感性试验结果显示,戊唑醇对2个ΔFgMetR敲除突变体的EC50值分别为(0.123±0.012) mg/L和(0.117±0.009) mg/L,而对野生型PH-1菌株和互补体ComFgMetR菌株的EC50值分别为(0.223±0.005) mg/L和(0.177±0.005) mg/L;统计分析表明相比对野生型PH-1和互补体ComFgMetR菌株,戊唑醇对敲除体ΔFgMetR菌株的EC50值显著降低,即敲除FgMetR基因会导致禾谷镰孢菌对戊唑醇更加敏感(图7)。与戊唑醇敏感性实验相似,咪鲜胺敏感性测定结果显示,咪鲜胺对2个敲除体ΔFgMetR菌株的EC50值分别为(0.010±0.000 5) mg/L和(0.009±0.000 5) mg/L,而对野生型菌株PH-1和互补体ComFgMetR菌株的EC50值分别为(0.035±0.002 0) mg/L和(0.041±0.000 5) mg/L;统计分析表明,咪鲜胺对2个敲除体ΔFgMetR菌株的EC50值也显著低于对野生型PH-1和互补体ComFgMetR菌株的EC50,敲除体对咪鲜胺的敏感性显著升高(图8)。上述结果表明FgMetR显著影响禾谷镰孢菌对戊唑醇和咪鲜胺的敏感性。
图7 各测试菌株对戊唑醇的敏感性测定 A:各菌株在含不同浓度的戊唑醇的PDA培养基中培养4 d后的菌落形态;B:戊唑醇对各菌株的EC50

Fig. 7 Determination of the sensitivity of each test strain to tebuconazole. A: Colony morphology of each strain cultured for 4 days on PDA plates with different concentrations of tebuconazole; B: EC50 values of the tebuconazole to each strain.

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图8 各测试菌株对咪鲜胺的敏感性测定 A:各菌株在含不同浓度的咪鲜胺的PDA培养基中培养4 d后的菌落形态;B:咪鲜胺对各菌株的EC50

Fig. 8 Determination of the sensitivity of each test strain to prochloraz. A: Colony morphology of each strain cultured for 4 days on PDA plates with different concentrations of prochloraz; B: EC50 values of the prochloraz to each strain.

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3 讨论

转录因子是生物体内最重要的调控蛋白之一,其通过复杂的调控网络精确调控生物体内的各种生物过程(John et al. 2022),对于转录因子调控网络的研究一直是生命活动研究的热点内容之一。本研究通过同源比对鉴定到禾谷镰孢菌的bZIP转录因子FgMetR,成功构建了FgMetR的敲除突变体与互补体,并对FgMetR生物学功能开展了一系列研究。
本研究发现ΔFgMetR在营养生长方面存在严重的缺陷,菌丝稀疏分散呈透明状,菌落直径和气生菌丝高度显著小于野生型菌株和互补菌株,菌株的色素沉着也受到了严重的影响。相似的,黄曲霉中MetR同源基因的缺失也导致菌株的生长速率降低(Zhao Q et al. 2022);链格孢中的同源基因AaMetR和构巢曲霉中的同源基因AnMetR的缺失也会分别导致菌株的生长速率降低和气生菌丝减少(Gai et al. 2021;Yu et al. 2021)。因而,MetR同源基因在调控真菌营养生长的过程中,可能具有较为保守的功能。
有性生殖在禾谷镰孢菌的生活史和病害循环中具有十分重要的意义(Leplat et al. 2013),无法形成子囊壳及子囊孢子意味着无法正常进行初侵染,这对抑制小麦赤霉病的发生有重要意义。而分生孢子在禾谷镰孢菌的传播和再侵染过程中发挥重要的作用。本研究发现ΔFgMetR不仅在分生孢子产量方面受损,而且无法形成子囊壳及子囊孢子,这意味着如果能够抑制该FgMetR的功能,对该病害的防控将有重要意义。本研究也测定了FgMetR对调控禾谷镰孢菌对寄主植物的致病力影响,发现FgMetR可以显著影响禾谷镰孢菌对小麦穗和小麦胚芽鞘的致病力。DON毒素是禾谷镰孢菌侵染的关键毒力因子(Proctor et al. 1995),但是我们发现FgMetR对DON毒素的合成没有显著影响(未发表数据),我们猜测ΔFgMetR菌株致病力的降低可能与其营养生长受损有关;此外,分生孢子萌发率,表皮穿透能力以及病原菌与植物寄主的互作等都会影响病原菌的致病力。禾谷镰孢菌bZIP转录因子FgMetR调控致病力的具体分子机制还需更深入的研究。
化学防治是控制小麦赤霉病的主要方法(Chen & Islam 2022),DMI类杀菌剂是生产上常用的防治药剂,但是由于长期使用引发的禾谷镰孢菌的耐药性问题是小麦生产上面临的重要问题。近年来,关于转录因子参与禾谷镰孢菌DMI耐药性调控受到研究者的关注。2019年浙江大学马忠华研究组发现禾谷镰孢菌中Zn(Ⅱ)2-Cys6转录因子FgSR可以调控禾谷镰孢菌对唑类药物的敏感性(Liu Z et al. 2019)。FgSR可以被FgHog1磷酸化,被激活后的FgSR通过与染色质重塑复合体SWI/SNF相互作用,增强FgCYP51A等麦角甾醇合成相关基因的表达,进而影响禾谷镰孢菌对唑类药物的敏感性。本课题组前期发现Zn(Ⅱ)2-Cys6转录因子FgAtrR也可以调控FgCYP51A和ABC转运蛋白的表达从而影响对唑类的敏感性(Zhao Y et al. 2022)。陈怀谷研究员课题组发现C2H2转录因子Fg01341影响禾谷镰孢菌对戊唑醇的抗性(Zhang et al. 2020)。本研究发现bZIP转录因子FgMetR缺失也会导致禾谷镰孢菌对DMI类杀菌剂戊唑醇和咪鲜胺的耐受性显著降低,但FgMetR参与调控禾谷镰孢菌耐药性的分子机制还需更深入的研究。
bZIP转录因子被认为是真菌体内硫同化的核心调控因子,如酿酒酵母中的Met4,粗糙脉孢霉中的CYS-3以及构巢曲霉中MetR和MetZ (Mountain et al. 1993;Paietta 2008;Su et al. 2008;Lee et al. 2010;Yu et al. 2021)。酵母、粗糙脉孢霉以及构巢曲霉硫同化调控中虽然具有相似的核心蛋白,但是它们的调控机制却并不同。本研究发现FgMetR在禾谷镰孢菌硫代谢调控的过程中起到了重要的作用,是禾谷镰孢菌利用无机态硫所必需的。MetR在其他如稻瘟病菌、链格孢、扩展青霉等真菌中的同源蛋白也被发现参与硫代谢的调控(Kong et al. 2015;Gai et al. 2021;Chen et al. 2023),但是由于具体的分子机制尚不清楚,它们是否采用相同的调控策略有待进一步明确。甲硫氨酸是一种含硫氨基酸,在蛋白质的合成以及多种生理生化过程中发挥重要的作用。植物病原菌中甲硫氨酸酶营养缺陷菌株会表现出多种生物学表型缺陷。禾谷镰孢菌甲硫氨酸合成途径中关键酶胱硫醚γ-合成酶CGS的缺失导致的甲硫氨酸营养缺陷,表现出病原菌菌落色素合成减少、产孢量降低、致病力减弱;此外,CGS的缺失还导致FgCYP51A/B/C表达量的降低,进而表现出对DMI类药剂敏感性的升高(Fu et al. 2013)。尖孢镰孢菌古巴专化型中CGS的缺失也会导致其分生孢子产量的降低以及致病力的减弱等(刘礼广等 2023)。本研究发现与酿酒酵母、粗糙脉孢霉以及构巢曲霉等真菌中MetR同源蛋白的缺失类似,禾谷镰孢菌中FgMetR的缺失也会导致甲硫氨酸营养缺陷,我们推测甲硫氨酸营养缺陷可能是导致FgMetR缺失突变体表现出营养生长缺陷、色素合成减少、致病力降低以及对DMI杀菌剂敏感性升高的一个重要原因。此外,作为bZIP转录因子,FgMetR是否与某些表型的直接调控基因相互作用还有待深入探究。
综上所述,本研究不仅进一步证实转录因子FgMetR对禾谷镰孢菌生长速率、有性生殖、硫同化和小麦穗致病力的重要影响(Park et al. 2024),而且发现转录因子FgMetR在禾谷镰孢菌气生菌丝生长、色素合成、小麦胚芽鞘致病力和唑类药剂敏感性等生物学过程中也起到了重要的调控作用。本研究拓宽了对转录因子FgMetR的生物学功能认识,丰富了禾谷镰孢菌对唑类药物抗性的分子机制,为小麦赤霉病的防控工作提供了理论研究基础。

作者贡献

马浩:实验操作、论文撰写及修改;张丽敏:提供实验材料、实验操作;赵彦翔:实验设计、写作指导;黄金光:研究监督与指导、论文审核与修改。

利益冲突

作者声明,该研究不存在任何潜在利益冲突的商业或财务关系。

参考文献

1
Akoumianaki T, Kyrmizi I, Valsecchi I, Gresnigt M, Samonis G, Drakos E, Boumpas D, Muszkieta L, Prevost MC, Kontoyiannis D , 2016. Aspergillus cell wall melanin blocks LC3-associated phagocytosis to promote pathogenicity. Cell Host & Microbe, 19(1):79-90
2
Amaike S, Keller NP , 2009. Distinct roles for VeA and LaeA in development and pathogenesis of Aspergillus flavus. Eukaryotic Cell, 8(7):1051
3
Berthier E, Lim FY, Deng Q, Guo CJ, Kontoyiannis DP, Wang CCC, Rindy J, Beebe DJ, Huttenlocher A, Keller NP , 2013. Low-volume toolbox for the discovery of immunosuppressive fungal secondary metabolites. PLoS Pathogens, 9(4):e1003289
4
Brakhage AA , 2013. Regulation of fungal secondary metabolism. Nature Reviews Microbiology, 11(1):21-32
5
Butchko RAE, Brown DW, Mark B, Bettina T, Philipp W , 2012. Lae1 regulates expression of multiple secondary metabolite gene clusters in Fusarium verticillioides. Fungal Genetics & Biology, 49(8):602-612
6
Calvo AM, Gardner HW, Keller NP , 2001. Genetic connection between fatty acid metabolism and sporulation in Aspergillus nidulans. Journal of Biological Chemistry, 276(28):25766-25774
7
Chen X, Lei BX, Wen CT, Zeng Q , 2017. Anticancer activity of an endophytic fungus Trichoderma sp. from a horse. Lishizhen Medicine and Materia Medica Research, 28(3):16-19 (in Chinese)
8
Cordero RJB, Casadevall A , 2017. Functions of fungal melanin beyond virulence. Fungal Biology Reviews, 31(2):99-112
9
Fan Y, Liu X, Keyhani NO, Tang G, Pei Y, Zhang W, Tong S , 2017. Regulatory cascade and biological activity of Beauveria bassiana oospore in that limits bacterial growth after host death. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(9):E1578
10
Hagiwara D, Sakai K, Suzuki S, Umemura M, Nogawa T, Kato N, Osada H, Watanabe A, Kawamoto S, Gonoi T , 2017. Temperature during conidiation affects stress tolerance, pigmentation, and trypacidin accumulation in the conidia of the airborne pathogen Aspergillus fumigatus. PLoS One, 12(5):e0177050
11
He Z, Kim J, Liew M, Yan J, Herrera O, Bok JW, Kelleher N, Keller N, Yun W , 2015. Redox metabolites signal polymicrobial biofilm development via the NapA oxidative stress cascade in Aspergillus. Current Biology, 25(1):29-37
12
Jiang C, Zhang C, Wu C, Sun P, Hou R, Liu H, Wang C, Xu JR , 2016. TRI6 and TRI10 play different roles in the regulation of deoxynivalenol (DON) production by cAMP signalling in Fusarium graminearum. Environmental Microbiology, 18(11):3689-3701
13
Jin WB, Keller NP , 2004. LaeA, a regulator of secondary metabolism in Aspergillus spp. Eukaryotic Cell, 3(2):527-535
14
Keller NP , 2019. Fungal secondary metabolism: regulation, function and drug discovery. Nature Reviews Microbiology, 17(3):167-180
15
Kong Y , 2019. Studies on secondary metabolites and their activities of endophytic fungi from Nerium indicum Mill. cv Paihua. PhD Dissertation, Shaanxi University of Science and Technology, Xi’ an. 6-8 (in Chinese)
16
Kumar D, Barad S, Chen Y, Luo X, Tannous J, Dubey A, Glam MN, Tian S, Li B, Keller N , 2017. LaeA regulation of secondary metabolism modulates virulence in Penicillium expansum and is mediated by sucrose. Molecular Plant Pathology, 18(8):1150-1163
17
Lan H, Sun R, Fan K, Yang K, Zhang F, Nie XY, Wang X, Zhuang Z, Wang S , 2016. The Aspergillus flavus histone acetyltransferase AflGcnE regulates morphogenesis, aflatoxin biosynthesis, and pathogenicity. Frontiers in Microbiology, 7:1324
18
Lena S, Philipp W, Karin K, Hans-Ulrich H, Bettina T , 2012. Biosynthesis of fusarubins accounts for pigmentation of Fusarium fujikuroi perithecia. Applied and Environmental Microbiology, 78(12):4468-4480
19
Li LN , 2019. Isolation of secondary metabolites from macrofungi Hericium alpestre and anti-tumor effects and mechanism of 4-hydroxy-2-pyridone alkaloid sambutoxin. PhD Dissertation, Shandong University, Jinan. 12-17 (in Chinese)
20
Lin JQ, Zhao XX, Wang CC, Xie Y, Li GH, He ZM , 2013. 5-Azacytidine inhibits aflatoxin biosynthesis in Aspergillus flavus. Annals of Microbiology, 63(2):763-769
21
Liu SY, Lin JQ, Wu HL, Wang CC, Huang SJ, Luo YF, Sun JH, Zhou JX, Yan SJ, He JG , 2012. Bisulfite sequencing reveals that Aspergillus flavus holds a hollow in DNA methylation. PLoS One, 7(1):e30349
22
López-Berges MS, Concepción H, Michael S, Katja SF, Javier C, Josep G, Antonio DP , 2013. The velvet complex governs mycotoxin production and virulence of Fusarium oxysporum on plant and mammalian hosts. Molecular Microbiology, 87(1):49-65
23
Lv Y , 2017. Proteome-wide profiling of protein lysine acetylation in Aspergillus flavus. PLoS One, 12(6):e0178603
24
Martín JF , 2016. Key role of LaeA and velvet complex proteins on expression of β-lactam and PR-toxin genes in Penicillium chrysogenum: cross-talk regulation of secondary metabolite pathways. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 44(4-5):1-11
25
Nazari L, Manstretta V, Rossi V , 2016. A non-linear model for temperature-dependent sporulation and T-2 and HT-2 production of Fusarium langsethiae and Fusarium sporotrichioides. Fungal Biology, 120(4):562-571
26
Nie X, Yu S, Qiu M, Wang X, Wang Y, Bai Y, Zhang F, Wang S , 2016. Aspergillus flavus SUMO contributes to fungal virulence and toxin attributes. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 64(35):6772-6782
27
Osbourn A , 2010. Secondary metabolic gene clusters: evolutionary toolkits for chemical innovation. Trends in Genetics, 26(10):449-457
28
Ozgür B, Sven K, Min N, Jin Woo B, Kerstin H, Oliver V, Susanna BS, Nak-Jung K, Nancy PK, Jae-Hyuk Y , 2008. VelB/VeA/LaeA complex coordinates light signal with fungal development and secondary metabolism. Science, 320(5882):1504-1506
29
Poyntner C, Mirastschijski U, Sterflinger K, Tafer H , 2018. Transcriptome study of an Exophiala dermatitidis PKS1 mutant on an ex vivo skin model: is melanin important for infection? Frontiers in Microbiology, 9:1457
30
Raja HA, Miller AN, Pearce CJ, Oberlies NH , 2017. Fungal identification using molecular tools: a primer for the natural products research community. Journal of Natural Products, 80(3):756-770
31
Ren S, Yang M, Li Y, Zhang F, Chen Z, Zhang J, Yang G, Yue Y, Li S, Ge F, Wang S , 2016. Global phosphoproteomic analysis reveals the involvement of phosphorylation in aflatoxins biosynthesis in the pathogenic fungus Aspergillus flavus. Scientific Reports, 6:34078
32
Ren S, Yang M, Yue Y, Ge F, Li Y, Guo X, Zhang J, Zhang F, Nie X, Wang S , 2018. Lysine succinylation contributes to aflatoxin 6 production and pathogenicity in Aspergillus flavus. Molecular & Cellular Proteomics, 17(3):457-471
33
Rohlfs M , 2015. Fungal secondary metabolite dynamics in fungus-grazer interactions: novel insights and unanswered questions. Frontiers in Microbiology, 5:788
34
Roze LV, Beaudry RM, Keller NP, Linz JE , 2004. Regulation of aflatoxin synthesis by FadA/cAMP/protein kinase A signaling in Aspergillus parasiticus. Mycopathologia, 158(2):219-232
35
Scherlach K, Hertweck C , 2017. Mediators of mutualistic microbe-microbe interactions. Natural Product Reports, 35(8):303-308
36
Schimmel TG, Coffman AD, Parsons SJ , 1998. Effect of butyrolactone I on the producing fungus, Aspergillus terreus. Applied Environmental Microbiology, 64(10):3707-3712
37
Shimizu K, Keller NP , 2001. Genetic involvement of a cAMP-dependent protein kinase in a G protein signaling pathway regulating morphological and chemical transitions in Aspergillus nidulans. Genetics, 157(2):591-600
38
Shwab EK, Jin WB, Tribus M, Galehr J, Graessle S, Keller NP , 2007. Histone deacetylase activity regulates chemical diversity in Aspergillus. Eukaryotic Cell, 6(9):1656
39
Singaravelan N, Grishkan I, Beharav A, Wakamatsu K, Ito S, Nevo E , 2008. Adaptive melanin response of the soil fungus Aspergillus niger to UV radiation stress at “Evolution Canyon” Mount Carmel, Israel. PLoS One, 3(8):e2993
40
Sonja P, Ramona F, Kristin S, Andreas H, Erika P, Manfred M, Lawrence CB, Reinhard F , 2014. Role of the Alternaria alternata blue-light receptor LreA (white-collar 1) in spore formation and secondary metabolism. Applied Environmental Microbiology, 80(8):2582-2591
41
Spraker JE, Sanchez LM, Lowe TM, Dorrestein PC, Keller NP , 2016. Ralstonia solanacearum lipopeptide induces chlamydospore development in fungi and facilitates bacterial entry into fungal tissues. The ISME Journal, 10(9):2317-2330
42
Wang RZ , 2017. Studies on comparative genomics and endobacteria of Esteva vermicola. PhD Dissertation, Chinese Academy of Forestry, Beijing. 5-6 (in Chinese)
43
Wu F, Zhou LW, Yang ZL, Bau T, Li TH, Dai YC , 2019. Resource diversity of Chinese macrofungi: edible, medicinal and poisonous species. Fungal Diversity, 2:1-76
44
Xu J , 2016. Fungal DNA barcoding. Genome, 59(11):913
45
Yang K, Liu Y, Liang L, Li Z, Qin Q, Nie X, Wang S , 2017. The high-affinity phosphodiesterase PdeH regulates development and aflatoxin biosynthesis in Aspergillus flavus. Fungal Genetics and Biology, 101:7-19
46
Yang K, Liu Y, Wang S, Wu L, Xie R, Lan H, Fasoyin OE, Wang Y, Wang S , 2019. Cyclase-associated protein cap with multiple domains contributes to mycotoxin biosynthesis and fungal virulence in Aspergillus flavus. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 67(15):4200-4213
47
Yang K, Qin Q, Liu Y, Zhang L, Liang L, Lan H, Chen C, You Y, Zhang F, Wang S , 2016. Adenylate cyclase AcyA regulates development, aflatoxin biosynthesis and fungal virulence in Aspergillus flavus. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 6:190
48
Zeilinger S, Gupta VK, Dahms TE, Silva RN, Singh HB, Upadhyay RS, Gomes EV, Tsui CK, Nayak SC , 2016. Friends or foes? Emerging insights from fungal interactions with plants. FEMS Microbiology Reviews, 40(2):182-207
49
Zhao Y, Ding J, Yuan W, Huang J, Huang W, Wang Y, Zheng W , 2017. Production of a fungal furocoumarin by a polyketide synthase gene cluster confers the chemo-resistance of Neurospora crassa to the predation by fungivorous arthropods. Environmental Microbiology, 19(10):3920-3929
50
Zhi QQ, Li JY, Liu QY, He ZM , 2017. A cytosine methyltransferase ortholog dmtA is involved in the sensitivity of Aspergillus flavus to environmental stresses. Fungal Biology, 121(5):501-514
51
Zhou Y , 2018. Mechanism of a marine fungal secondary metabolite: asperlin prevents atherosclerosis. Master Thesis, Peking Union Medical College, Beijing. 7-8 (in Chinese)
52
陈旭, 雷帮星, 文庭池, 曾茜 , 2017. 一株马比木植物内生真菌Trichoderma sp.抗癌活性研究. 时珍国医国药, 28(3):16-19
53
孔阳 , 2019. 白花夹竹桃内生真菌次生代谢产物及其活性的研究. 陕西科技大学博士论文,西安. 6-8
54
李璐宁 , 2019. 大型真菌Hericium alpestre次级代谢产物的分离和4-羟基-2-吡啶酮类生物碱sambutoxin的抗肿瘤作用及机制研究. 山东大学博士论文,济南. 12-17
55
王瑞珍 , 2017. 伊氏线虫真菌比较基因组及其内生细菌的研究. 中国林业科学研究院博士论文,北京. 5-6
56
周岳 , 2018. 海洋真菌次级代谢产物曲林菌素抗动脉粥样硬化作用机制研究. 北京协和医学院硕士论文,北京. 7-8

基金

国家自然科学基金(31900036)
江苏省自然科学基金(BK20190994)
江苏省高等学校自然科学研究面上项目(19KJB180016)
江苏师范大学自然科学研究基金研究项目(18XLRX029)

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