Nature Communications | 张翠军团队揭示小麦赤霉病致病新机制

　　

发病初期在小穗和颖片上出现小的水渍状淡褐色病斑，后逐渐扩大至整穗，严重时，整个麦穗枯死形成白穗。

感染了赤霉病的小麦

这种常发于小麦的病害被称为赤霉病（Fusarium head blight）。赤霉病不仅会严重降低小麦产量和籽粒品质，还会产生多种有毒真菌毒素，对人类和牲畜健康构成严重威胁。

从分子水平解析赤霉病的致病机制，对开发新型防控策略至关重要。

2025年7月1日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）张翠军课题组在《自然通讯（Nature Communications）》上发表题为“Fumarylacetoacetate hydrolase targeted by a Fusarium graminearum effector positively regulates wheat FHB resistance”的研究论文。该研究揭示了小麦赤霉病致病的新机制，首次证实了赤霉病主要致病菌——禾谷镰孢菌——通过效应蛋白定向破坏小麦代谢酶从而实现侵染的致病机理，为改良小麦赤霉病抗性和培育抗病品种提供了重要基因资源。

“致病元凶”：禾谷镰孢菌

禾谷镰孢菌（Fusarium graminearum）是引起小麦赤霉病的主要病原真菌。

在初始侵染阶段，禾谷镰孢菌会像“微型降落伞”飘到植物表面，通过表面的黏附蛋白牢牢抓住小麦表皮，随后分泌水解酶、蛋白酶等“化学腐蚀剂”，溶解植物细胞壁的纤维素和果胶，进入植物内部后，禾谷镰孢菌会伪装成“膨胀菌丝”，初期菌丝像吹气球一样膨大，悄悄在细胞间蔓延，避免触发植物警报，后期大量产生DON毒素（呕吐毒素），毒死植物细胞，并利用死亡组织的营养疯狂繁殖，通过小麦穗轴入侵邻近小穗，最终让整株麦穗“全军覆没”。

禾谷镰孢菌

在病原菌侵染过程中，效应蛋白起着关键作用。

然而，禾谷镰孢菌编码数百种效应蛋白，哪个才是最“致命的”？

张翠军团队决心要找出“致病元凶”。

研究人员先是利用 SignalP 4.1 和 TargetP 2.0 预测分泌蛋白的信号肽（Signal Peptide, SP），筛选出148个候选效应蛋白，再结合禾谷镰刀菌侵染小麦期间的转录组数据，筛选出了感染阶段特异性高表达的前10个候选基因，对这10个基因逐一进行基因敲除后，发现敲，除FgEC10外，其他基因敲除后禾谷镰刀菌未表现出同等程度的致病力明显下降。

张翠军团队推测：FgEC10可能是禾谷镰孢菌致病的关键因子。

“伪装间谍”：FgEC10基因

为了验证这一猜想，研究人员开展了互补实验、分泌实验、免疫表型和互作蛋白筛选等一系列的实验，系统性地鉴定了FgEC10作为禾谷镰刀菌效应蛋白的关键角色，并揭示其通过靶向降解TaFAH抑制小麦免疫的分子机制。

张翠军团队形象地将这一过程总结为“四步走行动：伪装渗透-锁定目标-斩首行动-制造混乱”。

第一步：伪装渗透

研究发现，FgEC10的N端携带信号肽，能够能够伪装成“友好信使”，“骗”过防御系统，成功进入植物细胞内部。不仅如此，FgEC10的行事也极为“低调”，平时几乎不表达。一旦开始侵染，在早期阶段（24-48小时），FgEC10基因表达量会暴增60倍。此外，研究人员还发现，FgEC10的瞬时表达可显著抑制由flg22（细菌鞭毛蛋白）或几丁质（真菌细胞壁成分）诱导的活性氧（ROS）爆发和胼胝质沉积，这两种反应是植物免疫的重要核心警报机制。

第二步：锁定目标

下一步，FgEC10精准识别小麦的延胡索酰乙酰乙酸水解酶（TaFAH）。TaFAH是小麦免疫系统的“指挥官”，负责激活抗病基因（如MAPK、NBS-LRR）和积累抗菌氨基酸（如赖氨酸）。

第三步：斩首行动

有意思的是，FgEC10不直接破坏TaFAH，而是绑架小麦自身的26S蛋白酶体（类似细胞内的“垃圾处理厂”）。它通过增强TaFAH与蛋白酶体亚基TaPSMD12的结合，将TaFAH标记为“垃圾”加速降解，导致防御指令无法传达。

第四步：制造混乱

TaFAH降解后，小麦无法激活抗病基因（如MAPK信号通路、几丁质酶等），免疫反应被抑制，病菌趁机扩散，进一步瓦解代谢防线，最终实现禾谷镰孢菌的侵染。

“双效基因”：TaFAH基因

找到了致病元凶，该如何打赢这场“免疫之战”？

张翠军团队想，“如果提前让指挥官TaFAH‘扩编’，能不能抵抗FgEC10的进攻？”

研究人员在感病小麦品种Fielder中，通过转基因技术获得TaFAH过表达（OE）。接种禾谷镰刀菌后，TaFAH过表达株系表现出显著增强的抗病性（病指降低）、菌丝生物量和DON含量减少，更让研究人员感到惊喜的是，TaFAH还能促进小麦抽穗，与对照组相比，TaFAH过表达株系的抽穗期提前了约10天。

这一特性为培育抗病早熟小麦提供了新思路。

基因组所（大鹏湾实验室）张翠军研究员为论文通讯作者。基因组所（大鹏湾实验室）已出站博士后商圣平（现河南农业大学）为论文第一作者。

该研究得到中国农业科学院科技创新工程基础科学研究中心、国家自然科学基金及深圳市科学技术创新委员会等项目的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60736-y