玉米赤霉病菌微型染色体负调控致癌伏马毒素合成的分子机制研究

本研究揭示了玉米赤霉病菌(Fusarium verticillioides)中一个菌株特异性微型染色体(Chr12)的关键调控作用。研究人员通过CRISPR-Cas9系统构建功能缺失突变体，发现该染色体负调控伏马毒素(FBs)生物合成基因簇(FBGC)的表达，同时影响真菌生长、无性繁殖和环境胁迫适应能力。这项发表在《Cell Reports》的研究为控制玉米真菌毒素污染提供了新靶点，对保障粮食安全具有重要意义。

　　

玉米作为全球重要的粮食作物，长期受到玉米赤霉病菌(Fusarium verticillioides)的威胁。这种病原真菌不仅造成玉米穗腐和茎腐病，更严重的是会产生致癌性伏马毒素(fumonisins)，其中FB1被世界卫生组织列为2B类致癌物。目前全球每年因伏马毒素污染的玉米损失高达数亿美元，而现有防控手段难以有效解决毒素污染问题。在这一背景下，中国农业大学植物保护学院的研究团队开展了一项突破性研究，揭示了该病原菌中一个此前未被重视的遗传元件——微型染色体(Chr12)的关键调控作用。

研究人员首先采用Oxford GridION和NovaSeq平台完成了FvSZ22菌株的染色体级别基因组组装，发现其核基因组包含11条核心染色体和1条0.76 Mb的微型染色体(Chr12)。通过创新的gln-tRNA驱动CRISPR-Cas9系统，团队成功删除了Chr12上705.73 kb的基因区域，构建了功能性缺失突变体(ΔChr12)。全基因组测序证实突变体仅保留端粒/亚端粒区域，而核心染色体保持完整。

关键技术包括：1)基于gln-tRNA的多sgRNA表达系统实现大片段染色体删除；2)全基因组测序验证染色体结构变异；3)与MAT2型菌株LNF15-11杂交进行染色体功能互补；4)HPLC定量分析伏马毒素FB1/FB2；5)RT-qPCR检测FBGC基因表达。

FvSZ22基因组特征
比较基因组分析显示Chr12具有典型微型染色体特征：GC含量(42.56%)显著低于核心染色体(46.56%-48.6%)，重复序列占比达17.99%，基因密度(74 genes/0.5 Mb)仅为核心染色体的44%。该染色体携带112个基因，包括6个效应因子和1个次级代谢基因簇。

Chr12的生物学功能
表型分析表明ΔChr12突变体生长速率降低35%，产孢量减少46%，但对茎腐和叶枯病的致病力无影响。值得注意的是，缺失Chr12使菌株对氧化(H₂O₂)和盐(NaCl/KCl)胁迫的耐受性显著增强，表明Chr12负调控环境胁迫应答。

毒素调控机制
玉米籽粒接种实验显示，ΔChr12感染的籽粒中FB1(61.10 μg/kg)和FB2(15.00 μg/kg)含量分别是野生型的4倍和9倍。RT-qPCR证实FBGC中13个基因表达上调，特别是编码Zn(II)₂Cys₆转录因子的FUM21表达量增加27倍。引人注目的是，通过杂交获得的Chr12互补菌株(ΔChr12/Chr12)产生惊人的高毒素水平(FB1 3,219 μg/kg；FB2 4,022 μg/kg)，FBGC全部16个基因表达上调440倍，其中FUM10(脂肪酸辅酶A合成酶)表达量增加2,521倍。

这项研究首次在植物病原真菌中发现并证实了"必需型微型染色体"的存在，突破了传统认为微型染色体仅条件性影响致病力的认知。Chr12通过双重调控机制影响伏马毒素合成：既直接抑制FBGC表达，又参与环境胁迫信号传导。研究建立的染色体编辑技术为解析真菌次级代谢调控网络提供了新工具，而发现的毒素负调控机制为开发靶向防控策略奠定了理论基础。考虑到伏马毒素对粮食安全的重大威胁，这项成果对指导抗病育种和真菌毒素防控具有重要应用价值。