近年来大型真菌的光反应和光受体研究综述

　　除了植物以外，光的感应现象存在于很多非光合作用的生物中。对真菌而言，光可影响其生长发育、生理周期、形态变化及次生代谢产物的产生（苏捷等 2006;Tisch&Schmoll2010）。真菌在长期的进化过程中，形成了极其精细、完善的光感受系统，从而可以感受光的有无、光的方向和质量、光的强度和光周期的长度，以便更好地适应环境。

　　真菌通过光受体感受并传递光信号，目前光受体的研究以模式真菌粗糙脉孢菌 NeurosporacrassaShear&B.O.Dodge 为多，近年来在大型真菌中也有一些报道。光除了调控大型真菌生理周期、形态变化和代谢产物产生外，更重要的是对于大多数大型真菌而言，光是原基分化和子实体生长的必要条件，因此大型真菌如何感受光信号来调控子实体发育正在引起学者的关注。本文对近年来大型真菌的光反应和光受体研究进行综述，以期为大型真菌子实体发育的分子机制研究奠定基础。

　　1 大型真菌的光反应研究

　　光照是大型真菌生长发育过程中一个不可忽略的环境因素，不同品种大型真菌对不同波长可见光的反应不一，不同生长发育阶段对光照强度、光质要求均有差异。光照既可调控大型真菌无性生长和代谢产物的产生，同时也可以调控其有性发育。

　　目前普遍认为大型真菌营养生长阶段不需要光诱导，多个研究表明光照抑制大型真菌无性生长，促进无性孢子的产生。白色荧光灯（4000lx）强烈抑制糙皮侧耳 Pleurotus ostreatus （Jacq.） P.Kumm.菌丝生长，且在双核与单核菌丝都有发生（Arjona et al. 2009）。光照抑制波氏块菌 TuberborchiiVittad.菌丝的顶端生长，进一步研究发现发挥抑制作用的为蓝光（Ambraetal.2004）。短时间的蓝光刺激能促进灰盖鬼伞 Coprinopsis cinerea（Schaeff.）Redhead,Vilgalys&Moncalvo 粉孢子的产生（Kertesz‐Chaloupkováetal.1998），并促进其粉孢子梗的发育（Polaketal.1997）。光照提高冬虫夏草 Ophiocordyceps sinensis （Berk.） G.H. Sung,J.M. Sung, Hywel‐Jones & Spatafora 分生孢子的产量（王忠等 2001），抑制液体发酵液中菌丝体的生长（Dong&Yao2011）。本课题组选用 5 株具有不同栽培性状的蛹虫草菌株，研究了光照对其菌丝生长和分生孢子产生的影响，结果发现 5 株不同的菌株均表现为蓝光抑制其菌落生长，白光和蓝光极显着促进分生孢子的产生，黑暗条件下仅产生少量分生孢子（Yang&Dong2014）。

　　真菌很多代谢产物如多糖、糖化酶、过氧化物酶、色素等受光照调控，如白光、红光和蓝光能显着诱导齐整小核菌 Sclerotium rolfsii Sacc. β‐1,3 葡聚糖的积累（Miller&Liberta1977）；不同波长的光影响白腐菌黄孢原毛平革菌 PhanerochaetechrysosporiumBurds.木质素过氧化物酶的产生，在紫外光、蓝光、绿光、黄光和红光中，只有绿光能显着促进其产生，而蓝光和紫外光显着降低其活性（Ramírezetal.2010）。相比较之下，光照调控大型真菌代谢产物的报道相对较少。虫草棒束孢Isaria farinose （Holmsk.） Fr.色素的产生受光调控（Velmuruganetal.2010）。蛹虫草代谢产物的光调控研究较为详尽。光照是蛹虫草类胡萝卜素合成的必要条件，在光照条件下，其菌落呈橙黄色，菌丝体中有高含量的类胡萝卜素积累，而在完全黑暗的情况下，菌丝体白色，几乎没有类胡萝卜素的产生。

　　江西师范大学付鸣佳研究组研究了光照对蛹虫草菌丝阶段主要有效成分含量的调控，发现蓝光处理能诱导蛹虫草类胡萝卜素含量的增加（付鸣佳等2005）；而菌丝体虫草素的产生受蓝光抑制（金华燕等 2013）。本课题组比较了自然光照和蓝光光照条件下蛹虫草子实体中各有效成分含量，结果发现腺苷、甘露醇含量不受蓝光影响，类胡萝卜素在蓝光光照条件下含量极显着高于自然光光照，蓝光对子实体中虫草素、粗多糖含量的影响则存在菌株差异（廉添添等 2014）。

　　对于多数大型真菌而言，光是其子实体发育的重要环境因子，营养生长向生殖生长转变阶段及子实体生长阶段均需要适量的光诱导。光照是香菇Lentinula edodes （Berk.） Pegler 子实体形成的必要条件（Sanoetal.2007）；调节光强度和周期能够实现糙皮侧耳的稳定出菇（Arjonaetal.2009）；冬虫夏草子实体发育需要 10–30lx 光照刺激（涂永勤等2010），子囊壳的形成和子囊孢子的释放同样离不开光照（李黎等 2000）。蓝光是目前认为对子实体发育影响最大、作用范围最广的光质，李玉等（2011）对光照的光线波长、强度及频率在大型真菌生产中对原基形成及子实体生长发育的影响进行了综述，在此不再赘述。

　　2 大型真菌光受体及其种类

　　2.1 真菌光受体种类

　　真菌光反应的研究中，人们最关心的问题是真菌如何感应光？目前相关研究主要集中于粗糙脉孢菌。真菌中目前已经发现了 3 种光受体蛋白：（1）含有 LOV 结构域的蓝光受体；（2）光敏色素为代表的红光受体；（3）视紫红质。粗糙脉孢菌中相继发现了含有 LOV 结构域的蓝光受体蛋白 White Collar‐1（WC‐1），WhiteCollar‐2（WC‐2）和 VIVID 蛋白（Schwerdtfeger &Linden2003;Ballarioetal.1998）。生物体中蓝光/ 近紫外光波 段的光信号受体还有隐花色素（ cryptochrome ） , 目前已经在粗糙脉孢菌（Froehlich et al. 2010）、深绿木霉 TrichodermaatrovirideP.Karst.（Berrocal‐Titoetal.2007）、构巢曲霉 Aspergillus nidulans （Eidam） G. Winter（Bayram et al. 2008）、玉米尾孢菌 Cercosporazeae‐maydisTehon & E.Y.Daniels（Bluhm &Dunkle2008）及核盘菌 Sclerotinia sclerotiorum （Lib.） deBary（Veluchamy&Rollins2008）中有报道。

　　光敏色素（phytochrome）能够结合四吡咯作为发光色团，感受红光和远红光，最早在植物中被发现，目前真菌中研究主要见于模式菌粗糙脉孢菌和构巢曲霉。粗糙脉孢菌中鉴定了 2 个光敏色素基因 PHY‐1 和 PHY‐2（Froehlichetal.2005），构巢曲霉中光敏色素 FphA 与其蓝光受体形成光受体复合物，调节对红光和蓝光的感应（Brandtetal.2008）。
　　
　　视紫红质（rhodopsins）是含有 7 个跨膜结构的光受体，由视黄醛发色团（retinal）和视蛋白（opsin）结合而成。真菌中视紫红质基因同样是在粗糙脉孢菌中得到（Bieszkeetal.1999），目前在病原菌斑点小球腔菌 Leptosphaeria maculans（Fuckel）Ces.&DeNot.（Idnurm&Howlett2001）和藤仓镰孢 FusariumfujikuroiNirenberg（Pradoetal.2004）中也得到了同源基因，在藤仓镰孢中该基因位于类胡萝卜素合成基因簇中。

　　2.2 大型真菌中已报道的光受体

　　目前在大型真菌中关于光受体的报道仅限于WC‐1 和 WC‐2 的同源蛋白。波氏块菌中报道了类似含有 LOV 结构域的蓝光受体基因 Tbwc‐1（Ambraet al. 2004）；香菇中先后发现了光受体蛋白基因phra,phrb,且两者能形成复合物（Sanoetal.2007,2009 ）；灰盖鬼伞中克隆得到光受体基因 dst‐1（Terashimaetal.2005）和独特的 dst‐2（Kuratanietal. 2010），裂褶菌 Schizophyllum commune Fr.中也发现了wc‐1和wc‐2的同源基因（Ohmetal.2012）。

　　本课题组分别从蛹虫草和冬虫夏草中克隆并报道了 Cmwc‐1（Yang&Dong2014）和 Oswc‐1（Yangetal.2013）。此外，我们从蛹虫草基因组中也找到了光受体 WC‐2、VVD、CRY、PHY 的同源蛋白（未发表）。随着大量大型真菌基因组数据的公布，将有利于新的光受体基因的发现。

　　3 大型真菌光受体 WC‐1 的研究

　　3.1 大型真菌光受体 WC‐1 结构域研究

　　粗糙脉孢菌 WC‐1 是 GATA 型锌指蛋白转录因子，包括一个 DNA 结合结构域、2 个 PAS 结构域、2 个转录激活结构域、1 个核定位序列和 1 个 LOV结构域，能够感知环境中光照、氧气和压力的变化，LOV 结合黄素发色团 FAD 是开启 WC‐1 活性所必须的（Ballarioetal.1996;Heetal.2002）。我们对子囊菌蛹虫草、冬虫夏草的结构域进行了分析，并和已经报道的大型真菌WC‐1结构域进行了比较分析（图 1）。子囊菌波氏块菌、蛹虫草、冬虫夏草和粗糙脉孢菌的组成和排列相似 ; 蛹虫草CmWC‐1、冬虫夏草的 OsWC‐1、波氏块菌 TbWC‐1均比粗糙脉孢菌 NcWC‐1 缺少一个羧基端的谷氨酰胺富集结构域（Gln‐richregion），而担子菌灰盖鬼伞、香菇和裂褶菌的光受体蛋白功能域相对较简单，缺乏核定位信号（nuclearlocalizationsignal）和锌指结构（zinc‐fingerDNA‐bindingmotif），灰盖鬼伞和裂褶菌甚至还缺少 PASC 结构域。

　　3.2 光受体蛋白 WC‐1 进化研究

　　Estrada&Avalos（2008）报道真菌的 WC‐1 蛋白来自共同的祖先，并可以将子囊菌纲、担子菌纲和接合菌纲很好地分开，因此 WC‐1 蛋白具有作为真菌系统发育标记的潜力。我们的研究发现来自子囊菌真菌的 WC‐1 蛋白可以将子囊菌主要类群Sordariomycetes、Leotiomycetes、Eurotiomycetes、Dothideomycetes 和 Pezizomycetes 分开，在目的水平也有一定的分辨率（Yangetal.2013）。在此基础上，我们从 GenBank 下载粪壳菌纲 WC‐1 蛋白，并和我们得到的 5 株蛹虫草和 3 株冬虫夏草的WC‐1 蛋白，采用最大似然法和贝叶斯法进行系统发育分析，两种方法构建的系统发育树拓扑结构一致，粪壳菌纲 4 个目 Hypocreales、Sordariales、Glomerellales、Ophiostomatales 以很高的支持率得到分离（图 2），表明 WC‐1 在目的水平能够作为标记蛋白。进一步分析发现，肉座菌目 Hypocreales的 5 个科也以较高支持率分开 , 特别是Cordycipitaceae 和 Ophiocordycipitaceae 以 100%的支持率分开，与 Sungetal.（2007）多基因研究的结果一致，蛹虫草和冬虫夏草分属于这 2 个科。当然，WC‐1 编码序列在系统发育分析中的应用还需引入更多的分类单元加以进一步验证。

　　3.3 大型真菌光受体 WC‐1 基因表达的光响应出乎我们意料的是，各种大型真菌光受体蛋白基因在黑暗下也能表达，只是在光照后一定时间内表达量迅速上升。波氏块菌菌丝光照刺激 20min后，Tbwc‐1 基因的表达量为黑暗条件下的 4 倍（Ambraetal.2004），糙皮侧耳 Le.phrA 在未成熟子实体中表达量较高（Sanoetal.2007），我们的研究表明蛹虫草菌和冬虫夏草菌在接收光照刺激15min 后 wc‐1 基因表达量达到最大，随着光照时间的增加表达量逐渐降低并形成稳态（Yangetal.2013;Yang&Dong2014）。

　　3.4 大型真菌光受体 WC‐1 基因功能研究

　　粗糙脉孢菌中 WC‐1 同时作为转录因子，既具有激活基因表达能力，又具对光信号作出应答的能力（Froehlichetal.2002;Heetal.2002）。WC‐1和WC‐2通过PAS结构域相互作用形成复合物WCC（Idnurm&Howlett2001）后结合至其他基因的启动子后传递蓝光信号调控下游基因表达，如生物钟基因 frq（thecentralclockcomponentfrequency），al‐3（类胡萝卜素合成酶）等（He et al. 2005），WC‐1 或 WC‐2 突变都会造成光反应现象的消失（Corrochano2007）。此外其他真菌如香菇（Sanoet al. 2009 ） 和布拉克须霉 Phycomycesblakesleeanus Burgeff（Sanz et al. 2009）的 WC‐1和 WC‐2 也形成复合物，表明蓝光感受机制在真菌中比较保守。

　　Smithetal.（2010）通过染色体免疫沉淀‐测序（chip‐seq）发现在粗糙脉孢菌中 584 个基因具有WCC 的结合位点"GATCCA",分别负责细胞周期、转录、蛋白结合、环境响应和细胞构成等功能。构巢曲霉基因组表达分析结果发现菌丝光照后有400 个基因表达上调，100 个基因表达下调，表达上调的基因主要参与无性发育。烟曲霉 Aspergillusfumigates Fresen.的全基因组转录分析发现 250（2.60%）个基因的表达受光调节（Fuller et al.2013），Canessaetal.（2013）发现粗糙脉孢菌和葡萄孢菌 Botrytis cinerea Pers.的下游靶标基因并不保守，不同真菌具有不同的 WCC 下游靶标基因说明光可能通过不同途径影响真菌的生长。

　　目前报道大型真菌中 wc‐1 功能研究的仅有灰盖鬼伞和裂褶菌。灰盖鬼伞中的 wc‐1 同源基因dst1 自然缺失后，即使给予适宜的光照，也无法正常发育形成伞盖菌体（Terashimaetal.2005）。裂褶菌的 wc‐1/wc‐2 敲除后，其菌落形态发生变化，且子实体发育受阻。裂褶菌中与子实体发育相关的基因包括 bri1、c2h2、fst3、fst4、gat1、hom1 和 hom2,其表达量在 wc‐2 敲除菌株中降低。本研究组发现蛹虫草 Cmwc‐1 敲除后不能形成原基和子实体，证实 Cmwc‐1 参与调节了其子实体发育，目前正在通过 RNA‐seq 分析敲除菌株菌丝体和子实体阶段基因表达差异得到与子实体发育相关的基因。由于WC‐1/WC2 光受体复合物同时具有光受体和转录因子的功能，因此，研究光受体复合物在子实体发育中的作用靶点，将有助于研究大型真菌子实体发育的机制研究。

　　4 大型真菌光受体研究的思考

　　光是大多数大型真菌子实体发育必需的环境因子，而真菌对光信号的接受和传导依赖于光受体。尽管近年来在大型真菌光受体方面有一些报道，但是仅限于基因克隆方面，和丝状真菌相比，研究还很不充分，目前的研究表明不同的真菌中光信号传导具有不同的途径，因此有必要对其进行如下方面的深入研究。

　　4.1 光受体 WC‐1 调控的靶基因及其信号传递途径研究

　　WC‐1 作为转录因子调节下游基因的表达，因此可以借助转录组研究解析不同的大型真菌中其调控的靶基因，进而分析其信号传递途径，推测子实体发育的分子机制。粗糙脉孢菌中 WC‐1 作为转录因子，其 DNA 结合位点为"GATCCA",其靶基因中转录因子有 24 个。虽然在很多大型真菌中有WC‐1 的同源蛋白，但是是否具有和粗糙脉孢菌相同的结合基序，其靶基因是否具有一致性值得关注。本课题组在蛹虫草的研究中发现，粗糙脉孢菌WC‐1 多数靶基因在蛹虫草 wc‐1 敲除后表达量并没有明显的改变，表明粗糙脉孢菌 WC‐1 靶基因并非都是蛹虫草 WC‐1 的靶基因。鉴于 WC‐1 敲除后对子实体发育的阻断，WC‐1 调控靶基因的研究将有助于子实体发育的分子机制研究。

　　4.2 大型真菌中其他光受体及作用机制研究

　　到目前为止，大型真菌中蓝光受体之外的红、绿光受体基本还没有研究。但是已有的研究表明不同的光质对大型真菌的生长具有不同的调控作用。如黄文芳（1994）报道红光可能刺激凤尾菇菌丝的多分支而使菌落生长浓密，绿光可能刺激菌丝顶端的伸长生长和抑制菌丝的分支，使菌落生长淡薄、菌丝纤细；绣球菌中红光对菌丝生长最为有利，黄光对原基形成有较强的诱导作用（应正河等2013）等。大型真菌的不同发育阶段适合不同的光照条件，可见大型真菌中存在蓝光之外的感光系统，蛹虫草的基因组中也证实了其他光受体的存在，因此有必要研究大型真菌中其他的光受体及其作用机制。

　　4.3 大型真菌中各种光信号途径之间的相互作用机制

　　粗糙脉孢菌中存在 2 个光敏色素（PHY‐1 和PHY‐2），但是这 2 个光敏色素基因的缺失并不表现出真菌对光感受能力的缺陷（Froehlich et al.2005），表明 PHY‐1 和 PHY‐2 的功能可能由其他的光受体所补偿。曲霉中光敏色素 FphA 会与其蓝光受体LreA和LreB（分别是粗糙脉孢菌WC‐1和WC‐2的同源蛋白）相互作用，形成一个更大的光受体复合物，调节对红光和蓝光的感应（Purschwitzetal.2008）。粗糙脉孢菌中 NOP‐1 受 WC‐2 负调控（Bieszke&Borkovich2007），暗示真菌中各种光信号通路之间存在着复杂的相互作用，研究大型真菌中各种光信号途径之间是否存在这种相互作用将有助于解释不同光质对其生长的影响。

　　4.4 大型真菌中光受体的其他功能研究

　　文献调查及本课题组的研究证实光受体对大型真菌生长发育和代谢产物产生具有调控作用。多种病原真菌中已证明光受体可以影响其致病性（Ruiz‐Roldánetal.2008;Kimetal.2011），那么这种功能在大型真菌如虫生真菌中是否具有相似的功能，值得深入研究。