研究揭示小麥赤霉病致病新機制

發病初期在小穗和穎片上出現小的水漬狀淡褐色病斑，后逐漸擴大至整穗，嚴重時，整個麥穗枯死形成白穗。這種常發于小麥的病害被稱為赤霉病。赤霉病不僅會嚴重降低小麥產量和籽粒品質，還會產生多種有毒真菌毒素，對人類和牲畜健康構成嚴重威脅。

感染了赤霉病的小麥麥穗。中國農科院供圖

近日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所（嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室深圳分中心）研究員張翠軍課題組在《自然—通訊》（Nature Communications）上發表研究論文。該研究揭示了小麥赤霉病致病的新機制，首次證實了赤霉病主要致病菌禾谷鐮孢菌通過效應蛋白定向破壞小麥代謝酶從而實現侵染的致病機理，為改良小麥赤霉病抗性和培育抗病品種提供了重要基因資源。

禾谷鐮孢菌是引起小麥赤霉病的主要病原真菌。在初始侵染階段，禾谷鐮孢菌會像“微型降落傘”飄到植物表面，通過表面的黏附蛋白牢牢抓住小麥表皮，隨后分泌水解酶、蛋白酶等“化學腐蝕劑”，溶解植物細胞壁的纖維素和果膠。進入植物內部后，禾谷鐮孢菌會偽裝成“膨脹菌絲”，初期菌絲像吹氣球一樣膨大，悄悄在細胞間蔓延，避免觸發植物警報，后期大量產生嘔吐毒素，毒死植物細胞。它們還利用死亡組織的營養瘋狂繁殖，通過小麥穗軸入侵鄰近小穗，最終讓整株的麥穗“全軍覆沒”。

禾谷鐮孢菌。中國農科院供圖

在病原菌侵染過程中，效應蛋白起著關鍵作用。然而，禾谷鐮孢菌編碼數百種效應蛋白，哪個才是最“致命的”？

張翠軍團隊篩選出了感染階段特異性高表達的前10個候選基因，對這10個基因逐一進行基因敲除后，研究發現，除FgEC10外，其他基因敲除后禾谷鐮刀菌未表現出同等程度的致病力明顯下降。他們推測，FgEC10可能是禾谷鐮孢菌致病的關鍵因子。

進一步研究系統性地鑒定了FgEC10作為禾谷鐮刀菌效應蛋白的關鍵角色，并揭示其通過靶向降解TaFAH抑制小麥免疫的分子機制。張翠軍團隊形象地將這一過程總結為“四步走行動”：偽裝滲透—鎖定目標—斬首行動—制造混亂。

找到了致病元兇，該如何打贏這場“免疫之戰”？張翠軍團隊在感病小麥品種Fielder中獲得TaFAH過表達株系。接種禾谷鐮刀菌后，其表現出顯著增強的抗病性、菌絲生物量和DON含量減少。TaFAH還能促進小麥抽穗，與對照組相比，TaFAH過表達株系的抽穗期提前了約10天。這一特性為培育抗病早熟小麥提供了新思路。

張翠軍為論文通訊作者。基因組所（大鵬灣實驗室）已出站博士后商圣平（現河南農業大學）為論文第一作者。

該研究得到中國農業科學院科技創新工程基礎科學研究中心、國家自然科學基金及深圳市科學技術創新委員會等項目的支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60736-y