禾谷鐮孢菌是引起小麥赤霉病、玉米赤霉莖腐病等農(nóng)作物危害的重要病原真菌。近年來(lái)，禾谷鐮孢菌感染引起的赤霉病在世界范圍內(nèi)頻繁爆發(fā)，造成嚴(yán)重的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)損失，該病原菌還會(huì)產(chǎn)生大量真菌毒素污染糧食，給人畜健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。受限于禾谷鐮孢菌侵染作物的毒力因子、分子致病機(jī)制不清楚等問(wèn)題，對(duì)于禾谷鐮孢菌的防治手段十分有限，主要集中在化學(xué)防治，還沒(méi)有完全有效的生物防治方法可供使用。深入研究禾谷鐮孢菌侵染作物的分子致病機(jī)制，發(fā)現(xiàn)新的毒力因子，對(duì)開(kāi)發(fā)新的赤霉病生物防治方法具有重要意義。
上海有機(jī)所劉文團(tuán)隊(duì)和分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所唐威華團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期合作，對(duì)禾谷鐮孢菌的毒力因子及其侵染機(jī)制展開(kāi)了系統(tǒng)研究。他們通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基因敲除、代謝分析等手段發(fā)現(xiàn)基因簇fg3_54產(chǎn)生的非核糖體八肽fusaoctaxin A是禾谷鐮孢菌侵染小麥的重要毒力因子，該毒力因子通過(guò)影響宿主細(xì)胞間的滲透過(guò)程而促進(jìn)禾谷鐮孢菌對(duì)植物的侵染（Nat. Commun. 2019, 10, 922）。近期，他們對(duì)基因簇fg3_54產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的毒力因子fusaoctaxin B，并通過(guò)詳盡的體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)揭示了其生物合成特殊前體胍基乙酸（GAA）單元的全新生物合成途徑（J. Am. Chem. Soc. 2021, /doi.org/10.1021/jacs.1c07770）。
不同于已知的胍基乙酸形成途徑——通過(guò)脒基轉(zhuǎn)移酶催化甘氨酸和精氨酸之間的親核取代，禾谷鐮孢菌僅利用精氨酸為底物，通過(guò)多酶催化的串聯(lián)反應(yīng)對(duì)精氨酸進(jìn)行修飾得到胍基乙酸。首先，精氨酸在細(xì)胞色素P450蛋白Fgm1存在下對(duì)C4位惰性C-H鍵活化得到4(R)-羥基精氨酸；然后，由PLP依賴的裂解酶Fgm3選擇性地催化Cβ-Cγ鍵斷裂得到胍基乙醛和丙氨酸；胍基乙醛不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)環(huán)化，再經(jīng)由脫氫氧化得到內(nèi)酰胺中間體；最后，在金屬依賴的水解酶Fgm2作用下水解線性化得到胍基乙酸。胍基乙酸作為非天然氨基酸合成砌塊，再被非核糖體合成酶NRPS9識(shí)別，通過(guò)順序的NRPS模塊化組裝得到成熟的非核糖體八肽毒力因子fusaoctaxin B。
圖1 禾谷鐮孢菌毒力因子fusaoctaxin B的生物合成途徑
禾谷鐮孢菌毒力因子fusaoctaxin B的發(fā)現(xiàn)，從分子層面加深了對(duì)禾谷鐮孢菌侵染作物的認(rèn)識(shí)，對(duì)開(kāi)發(fā)赤霉病的生物防治方法、構(gòu)建對(duì)禾谷鐮孢菌全抗性的作物育種提供了重要的依據(jù)；對(duì)毒力因子特殊結(jié)構(gòu)單元的生物合成機(jī)制研究，揭示了全新的生物合成途徑、新穎的酶學(xué)機(jī)制，為生物催化提供了多樣化的酶學(xué)工具。
上海有機(jī)所劉文課題組湯志軍博士、唐昊雨博士和分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所唐威華課題組王婉秋博士是本文共同第一作者，薛玉峰碩士作出重要貢獻(xiàn)。上述成果獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委和中科院等相關(guān)項(xiàng)目的大力資助。
