上海有機所在禾谷鐮孢菌毒力因子的研究中取得新進展

文章來源:上海有機化學研究所  |  發布時間:2021-11-19  |  【打印】 【關閉

  
  禾谷鐮孢菌是引起小麥赤黴病、玉米赤黴莖腐病等農作物危害的重要病原真菌。近年來,禾谷鐮孢菌感染引起的赤黴病在世界範圍內頻繁爆發,造成嚴重的産量和經濟損失,該病原菌還會産生大量真菌毒素汙染糧食,給人畜健康構成嚴重威脅。受限于禾谷鐮孢菌侵染作物的毒力因子、分子致病機制不清楚等問題,對于禾谷鐮孢菌的防治手段十分有限,主要集中在化學防治,還沒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制,發現新的毒力因子,對開發新的赤黴病生物防治方法具有重要意義。
  上海有机所刘文团队和分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所唐威华团队长期合作,对禾谷镰孢菌的毒力因子及其侵染机制展开了系统研究。他们通过转录组学、基因敲除、代谢分析等手段发现基因簇fg3_54产生的非核糖体八肽fusaoctaxin A是禾谷镰孢菌侵染小麦的重要毒力因子,该毒力因子通过影响宿主细胞间的渗透过程而促进禾谷镰孢菌对植物的侵染(Nat. Commun. 2019, 10, 922)。近期,他们对基因簇fg3_54产生的代谢产物进行了深入分析,发现了一个新的毒力因子fusaoctaxin B,并通过详尽的体内和体外实验揭示了其生物合成特殊前体胍基乙酸(GAA)单元的全新生物合成途径(J. Am. Chem. Soc. 2021, /doi.org/10.1021/jacs.1c07770)。
  不同于已知的胍基乙酸形成途径——通过脒基转移酶催化甘氨酸和精氨酸之间的亲核取代,禾谷镰孢菌仅利用精氨酸为底物,通过多酶催化的串联反应对精氨酸进行修饰得到胍基乙酸。首先,精氨酸在细胞色素P450蛋白Fgm1存在下对C4位惰性C-H键活化得到4(R)-羟基精氨酸;然后,由PLP依赖的裂解酶Fgm3选择性地催化Cβ-Cγ键断裂得到胍基乙醛和丙氨酸;胍基乙醛不稳定,会自发环化,再经由脱氢氧化得到内酰胺中间体;最后,在金属依赖的水解酶Fgm2作用下水解线性化得到胍基乙酸。胍基乙酸作为非天然氨基酸合成砌块,再被非核糖体合成酶NRPS9识别,通过顺序的NRPS模块化组装得到成熟的非核糖体八肽毒力因子fusaoctaxin B。
图1 禾谷镰孢菌毒力因子fusaoctaxin B的生物合成途径
  禾谷镰孢菌毒力因子fusaoctaxin B的发现,从分子层面加深了对禾谷镰孢菌侵染作物的认识,对开发赤霉病的生物防治方法、构建对禾谷镰孢菌全抗性的作物育种提供了重要的依据;对毒力因子特殊结构单元的生物合成机制研究,揭示了全新的生物合成途径、新颖的酶学机制,为生物催化提供了多样化的酶学工具。
  上海有機所劉文課題組湯志軍博士、唐昊雨博士和分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態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。上述成果獲得了國家自然科學基金委、科技部、上海市科委和中科院等相關項目的大力資助。