刘西莉教授课题组（FPPI）揭示了琥珀酸脱氢酶不同亚基对假禾谷镰刀菌生物学表型和毒素合成的调控

       小麦茎基腐病是小麦生产中由多种镰刀菌复合侵染引起的一种毁灭性病害，其优势病原菌为假禾谷镰刀菌（Fusarium pseudograminearum）。琥珀酸脱氢酶抑制剂（SDHIs）通过靶向病原菌琥珀酸脱氢酶发挥抑菌活性，其产品种类虽多，但目前仅有三氟吡啶胺和氟唑菌酰羟胺登记用于镰刀菌病害的防治。假禾谷镰刀菌的琥珀酸脱氢酶由FpSdhA、FpSdhB、FpSdhC₁、FpSdhC₂和FpSdhD 5个亚基组成，各亚基在调控病原菌生物学表型和毒素合成的作用尚不清楚。近日，刘西莉教授课题组在《Journal of Agricultural and Food Chemistry》期刊上发表了题为“Succinate dehydrogenase subunits differentially regulate physiology, SDHI sensitivity, and DON biosynthesis in Fusarium pseudograminearum”的研究论文，系统评估了FpSdhs基因对假禾谷镰刀菌生物学表型、毒素合成及其对SDHIs敏感性的调控作用，相关研究结果为新型SDHIs杀菌剂的开发提供了重要参考。

       本研究通过遗传转化获得了假禾谷镰刀菌5个FpSdh基因单敲除及FpSdhC_1&2双敲除转化子，生物学表型测定发现，FpSdhC₁和FpSdhC₂单基因缺失对假禾谷镰刀菌的菌丝生长和孢子产生均无明显影响，而FpSdhA、FpSdhB、FpSdhD基因缺失以及FpSdhC_1&2双敲除后，假禾谷镰刀菌菌丝生长异常缓慢，不能产生气生菌丝，并且丧失了产孢能力（图1）。5个FpSdh基因单敲除或FpSdhC_1&2双敲除后均可明显降低假禾谷镰刀菌的致病力，其中，FpSdhA、FpSdhB、FpSdhD基因单敲转化子及FpSdhC_1&2双敲转化子的致病力降低更为显著。

       测定了8种不同SDHIs杀菌剂对假禾谷镰刀菌的抑菌作用，根据其抑菌活性将杀菌剂分为两组，组1包括三氟吡啶胺、氟唑菌酰羟胺和氟吡菌酰胺3种杀菌剂，其对假禾谷镰刀菌的抑菌活性较好；组2包括氟唑菌酰胺、氟唑菌苯胺、异丙噻菌胺、啶酰菌胺和噻呋酰胺5种杀菌剂，其对假禾谷镰刀菌的抑菌活性较弱。研究发现，除噻呋酰胺之外，FpSdhC₁基因缺失导致假禾谷镰刀菌对其他7种杀菌剂的敏感性均显著增加；FpSdhC₂基因缺失导致假禾谷镰刀菌对8种SDHIs杀菌剂的敏感性略有下降或无明显变化；FpSdhA、FpSdhB、FpSdhD基因缺失或FpSdhC_1&2双敲除后，假禾谷镰刀菌对组1杀菌剂的敏感性均显著下降；FpSdhA、FpSdhB、FpSdhD基因缺失后，假禾谷镰刀菌对组2的氟唑菌酰胺、氟唑菌苯胺、异丙噻菌胺和啶酰菌胺的敏感性未发生明显变化，但对噻呋酰胺的敏感性增加；FpSdhC_1&2双敲除后，假禾谷镰刀菌对组2杀菌剂的敏感性均增加。

       毒素测定结果表明，FpSdhA、FpSdhB、FpSdhD以及FpSdhC_1&2基因敲除后，假禾谷镰刀菌均无法合成毒素；FpSdhC₁基因敲除后，假禾谷镰刀菌的毒素产量未发生明显变化，而FpSdhC₂基因缺失导致假禾谷镰刀菌的产毒小体被破坏，DON产量显著降低（图2）。FpSdhs基因表达分析结果表明，FpSdhA、FpSdhB、FpSdhC₂或FpSdhD缺失均会导致FpSdhC₁基因上调表达。综上研究结果，表明FpSdhA、FpSdhB和FpSdhD对假禾谷镰刀菌的生长发育至关重要，FpSdhC₁是调控假禾谷镰刀菌对多种SDHIs杀菌剂敏感性的关键基因，FpSdhC₂是调控假禾谷镰刀菌毒素合成的关键基因。

图1  FpSdhA、FpSdhB及FpSdhD对假禾谷镰刀菌的生长发育至关重要

图2  假禾谷镰刀菌FpSdhC₁和FpSdhC₂敲除转化子的毒素含量和产毒小体形态

       根据研究结果及合理性推测绘制如下模式图（图3）：假禾谷镰刀菌的琥珀酸脱氢酶存在FpSdhA、FpSdhB、FpSdhC₁、FpSdhC₂和FpSdhD 5个亚基，推测FpSdhC₁和FpSdhC₂均能与其他亚基形成完整的复合物。组1杀菌剂能够与假禾谷镰刀菌FpSdhB、FpSdhC₂、FpSdhD形成的药剂结合腔结合进而发挥抑菌作用，而组2杀菌剂不能进入该药剂结合腔发挥抑菌活性。由此推测，FpSdhC₁可能阻碍了组2药剂进入结合腔及其与结合口袋的相互作用，导致假禾谷镰刀菌对组2中氟唑菌酰胺、氟唑菌苯胺、异丙噻菌胺、啶酰菌胺不敏感。当FpSdhA、FpSdhB、FpSdhD或FpSdhC_1&2缺失时，琥珀酸脱氢酶复合体被破坏，导致假禾谷镰刀菌的菌丝生长缓慢，致病力显著降低，产孢能力丧失。同时，琥珀酸脱氢酶中的药剂结合腔也被破坏，导致药剂无法与琥珀酸脱氢酶结合进而影响其发挥抑菌活性。

图3  FpSdhs调控假禾谷镰刀菌生物学表型及对SDHIs敏感性的模式图

       西北农林科技大学植物保护学院已毕业博士生李怡文和在读硕士生王妍为论文第一作者，刘西莉教授和苗建强研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目（2022YFD1400900、2024YFD1400400）的资助。

       原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jafc.6c00040。