真菌病原体使植物防御机制失灵

卷心菜植物通过部署一种叫做芥子油炸弹的防御机制来防御食草动物和病原体：当植物组织受损时，会形成有毒的异硫氰酸酯，并能有效地抵御攻击者。马克斯普朗克化学生态学研究所和比勒陀利亚大学的研究人员现在已经在一项新的研究中表明，真菌病原体使植物防御机制失灵，这种防御措施在一定程度上对广泛存在的有害真菌菌核病（Sclerotinia sclerotiorum）也是有效的。然而，这种病原体至少使用两种不同的解毒机制，使真菌能够成功地传播到以这种方式防御的植物上。由此形成的代谢产物对真菌无毒，使其能够在这些植物上生长。

研究背景

菌核病（sclerotiniasclerotiorum）是一种破坏性的真菌病原，可感染400多种不同的植物。这种病的主要症状称为菌核萎蔫或白霉病。可见的还有白色的棉花状真菌孢子，它们长满了植物的叶子和茎。在农业方面，油菜种植尤其危险。这种植物病害会影响卷心菜科的其他成员，也会影响土豆、豆类和草莓。

杰纳马克斯-普朗克化学生态研究所的科学家们长期以来一直在研究构成卷心菜科植物（包括油菜、萝卜和芥末）的特殊防御机制的硫代葡萄糖苷和异硫氰酸盐。”我们想知道成功的植物病原体是如何克服植物的防御能力并在这些植物中定居的。因此，我们扪心自问，广泛分布的真菌病原体是否有适应甘蓝科植物化学防御的策略，”该研究的第一作者陈景源解释道。

真菌病原体使植物防御机制失灵

研究人员能够通过实验证明，基于硫代葡萄糖苷的防御实际上对真菌攻击是有效的。然而，他们也发现了白霉菌对防御物质进行解毒的两种不同策略：第一种是将谷胱甘肽与异硫氰酸酯毒素结合的一般解毒途径。这种对有机毒物的解毒作用在昆虫甚至哺乳动物中很常见。使异硫氰酸酯无害的第二种也是更有效的方法是水解它们，即用水分子酶解它们。研究人员想确定这种解毒机制背后的酶和相应的基因。使这些物质成功解毒的基因已经在细菌中被描述过。他们被称为Sax基因在模式植物拟南芥：存活在拟南芥提取物。

“我们基于已知的细菌SaxA蛋白进行搜索，以选择候选基因进行进一步研究。我们随后测试了这些基因是否真的在暴露于毒素的真菌中大量表达，以及由此产生的蛋白质是否能使毒素无害，”研究负责人之一Daniel Vassão解释说。利用高分辨率的分析方法，科学家们能够识别和量化这种真菌在解毒过程中产生的代谢物。他们还使用了SaxA编码基因被敲除的真菌突变体进行比较。这表明，白霉菌的Sax蛋白对一系列异硫氰酸盐具有活性，使其能够在卷心菜科的不同植物中定殖。

缺乏这种解毒途径基因的突变体对异硫氰酸盐的耐受能力显著降低然而，令人惊讶的是，，这些突变体上调了它们的一般解毒途径，尽管这并不能补偿突变，”陈景源说。谷胱甘肽结合不能像水解一样有效地解毒异硫氰酸盐。虽然真菌的代谢似乎更昂贵，但这种一般途径总是存在的，因为它帮助真菌解毒各种各样的毒物。”Daniel Vassão说：“有可能这种一般途径最初保护真菌，而更专业化的途径所需的机械装置是在最初接触毒素后组装起来的，并可在感染后期接管。”

进一步实验

真菌病原体使植物防御机制失灵，在进一步的实验中，研究人员希望调查其他成功感染卷心菜科植物的真菌是否也能通过同样的途径解毒异硫氰酸盐，以及无关真菌物种是否也能降解这些毒素。”然后我们将知道这种广泛的解毒作用是由于真菌在芥菜中的反复进化，还是随着时间的推移而被保存下来的一种特征，因此在许多真菌系中都能发现，”进行这项研究的生物化学系主任乔纳森·格申宗总结道。

引用

Max Planck Institute for Chemical Ecology. "Fungal pathogen disables plant defense mechanism: The white mold fungus Sclerotinia sclerotiorum detoxifies the mustard oil bomb in plants of the cabbage family." ScienceDaily. ScienceDaily, 19 June 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200619104310.htm.