替代氧化酶基因在禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）对阿佐西ストロビン（azoxystrobin）耐受性中的作用

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：The function of the alternative oxidase gene in the tolerance of fusarium graminearum to azoxystrobin

本研究通过基因敲除和转录组分析，揭示了替代氧化酶（AOX）在枯草芽孢杆菌抗甲嘧唑苯并吡唑啉酮（AZ）中的作用。发现AOX缺失导致真菌对AZ更敏感，并影响能量代谢、抗氧化反应及毒素合成，为小麦赤霉病防控提供了新靶点。

　　

孙浩杰|秦玉良|冯毅文|王莹莹|翟焕晨|吕阳勇|胡远森|张帅兵|黄亮

河南工业大学生物工程学院，郑州450001，中国

摘要

Fusarium graminearum 是导致小麦赤霉病的主要病原体，对粮食生产造成了巨大的经济损失。控制 F. graminearum 需要阐明与生长和霉菌毒素生物合成相关的关键基因的生物学功能。在本研究中，发现替代氧化酶抑制剂丙基没食子酸（PG）显著降低了 F. graminearum PH-1 对唑嘧菌酯（AZ）的耐受性，表明替代氧化酶（AOX）对 F. graminearum 的 AZ 抵抗性至关重要。通过比较 FgAOX 缺失突变体和野生型 F. graminearum PH-1 之间的生化和转录组变化，进一步研究了 FgAOX 的生物学功能。与 PH-1 相比，FgAOX 缺失突变体的分生孢子产量减少，隔膜增厚，脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）积累增加，并且对 AZ 的敏感性增强。转录组分析显示 FgAOX 参与能量代谢、氧化应激反应和次级代谢产物的生物合成。FgAOX 的缺失引发了能量代谢的重新编程，影响了 TCA 循环、糖酵解/糖异生和脂质代谢，最终导致 ATP 合成增加。因此，活性氧水平升高，与抗氧化酶和氧化还原过程相关的基因表达发生显著变化，破坏了细胞的氧化还原稳态。这些发现突显了 FgAOX 在 F. graminearum 的 AZ 抵抗性、营养生长、毒素产生、氧化应激反应和能量代谢中的重要作用，为潜在的疾病管理策略提供了见解。

引言

小麦是全球主要的粮食作物，在维护全球粮食安全方面发挥着关键作用（Filip 等，2023；Xin，2022）。由真菌病原体 Fusarium graminearum 引起的赤霉病（FHB）是限制小麦产量的主要因素，导致穗部坏死和籽粒脱落，在某些地区产量损失超过 70%（Alisaac 和 Mahlein，2023；Jevti? 等，2021）。此外，这种病原体会产生脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON），它污染粮食并对食品安全和人类健康构成严重威胁，因为其具有急性毒性、免疫抑制作用以及长期饮食暴露的风险（Goswami 和 Kistler，2004）。综上所述，FHB 是一种破坏性的疾病，威胁着农业生产、食品安全和人类健康。

目前，化学控制（使用杀菌剂）是 FHB 综合管理的主要措施（Ge 等，2024）。用于 FHB 化学控制的主要杀菌剂类别包括脱甲基酶抑制剂（DMIs），如戊唑醇和甲基康唑；琥珀酸脱氢酶抑制剂（SDHIs），如吡氟菌酯；醌外抑制剂（QoIs），如戊唑醇类；甲基苯并咪唑氨基甲酸酯（MBCs），如代森锰锌和苯菌灵；以及苯吡咯类（PPs），如氟啶胺（Zhang 等，2025；Jayawardana 和 Fernando，2024；de Chaves 等，2022；Duan 等，2018）。唑嘧菌酯（AZ）是第一个广泛商业化应用的戊唑醇类杀菌剂，它通过抑制菌丝生长和孢子萌发表现出对 F. graminearum 的有效性（Duan 等，2020）。AZ 靶向真菌线粒体中的细胞色素 bc1 复合体（复合体 III），从而抑制电子传递和能量代谢。然而，与基于唑类的杀菌剂相比，AZ 对 FHB 的效果较差（Bolanos-Carriel 等，2020；Paul 等，2018）。AZ 单独使用时的抗真菌效果不佳可能归因于 F. graminearum 中存在另一种呼吸途径，在该途径中 AOX 作为关键的末端氧化酶，可能有助于杀菌剂的耐受性。然而，AOX 在 F. graminearum 对 AZ 的耐受性中的作用仍不清楚。

在本研究中，通过抑制剂敏感性测定和基因缺失实验验证了 AOX 在 F. graminearum 对 AZ 的耐受性中的作用。研究了 AOX 对菌丝生长、分生孢子产生、DON 生物合成和致病性的影响，以及其在维持细胞氧化还原稳态和线粒体功能中的作用。我们的结果加深了对 F. graminearum 中 AOX 功能的理解，揭示了其在氧化应激反应、能量代谢和次级代谢调节中的作用。这些发现为识别新的药物靶点和开发有效的 FHB 控制策略以及减少小麦中 DON 污染提供了重要见解。

部分摘要

真菌菌株和培养条件

本研究中使用的野生型 Fusarium graminearum PH-1 来自王宗华教授（Tang 等，2023）。分生孢子和菌丝分别在液体羧甲基纤维素（CMC）培养基（羧甲基纤维素 15 g/L，NH₄NO₃ 1 g/L，KH₂PO₄ 1 g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5 g/L 和酵母提取物 1 g/L）和完全培养基（CM）（酵母提取物 6 g/L，酪蛋白水解物 6 g/L，蔗糖 10 g/L 和琼脂 20 g/L）中培养（Ren 等，2022）。孢子悬浮液在 CM 中制备

AZ 和 PG 的组合对 F. graminearum PH-1 的生长表现出更强的抑制作用

在平板抑制试验中，即使浓度达到 160 μg/mL，AZ 单独使用也无法完全抑制 F. graminearum PH-1 的生长，EC₅₀ 值为 33.73 μg/mL，而 PG 单独使用在 8 mM 时即可实现完全抑制，EC₅₀ 值为 5.43 μM（图 1A-D，表 S2）。对于组合处理，当 AZ 固定在 40 μg/mL 时，0.8 mM 的 PG 即可完全抑制 F. graminearum PH-1 的生长。与单独使用 AZ 相比，所需的浓度显著降低

讨论

AOX 的活性与多种生物体的代谢稳态、细胞氧化还原平衡和环境应激反应密切相关（Li 等，2024a，Li 等，2024b；Murik 等，2019）。在本研究中，我们探讨了 AOX 在介导 F. graminearum 对 AZ 的抗性中的关键作用。具体来说，抑制 AOX 活性显著降低了 F. graminearum 对 AZ 的抗性。此外，在敲除 AOX 基因后，即使低浓度的...

结论

结果表明，替代氧化酶在 Fusarium graminearum PH-1 对唑嘧菌酯的耐受性中起着关键作用，在 6 μg/mL 的 AZ 浓度下，其生长可以被完全抑制。这项研究为 AOX 在调节 F. graminearum 的细胞能量代谢、氧化还原平衡和霉菌毒素产生中的关键作用提供了重要证据。AOX 是线粒体功能的重要调节因子，确保细胞过程在代谢压力下正常运行。AOX 的缺失会破坏...

CRediT 作者贡献声明

孙浩杰：数据可视化、软件使用、方法论、实验设计、数据分析、正式分析、撰写——审阅与编辑、初稿撰写。 秦玉良：数据可视化、软件使用、方法论、实验设计、数据分析、正式分析、撰写——审阅与编辑。 冯毅文：数据可视化、软件使用、方法论、数据分析。 王莹莹：资源获取、方法论、概念构建、撰写——审阅与编辑。 翟焕晨：数据可视化、资源获取、实验设计、数据管理。 吕阳勇：

资金来源

本研究得到了河南省自然科学基金（项目编号 242300421106）、国家自然科学基金（项目编号 22338013）以及 河南工业大学 的 Tuoxin 团队培养项目（项目编号 2024TXTD13）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。