发现可能会导致新的杀菌剂来保护水稻作物

一种在全球范围内危害水稻作物的真菌以一种使其容易受到简单化学阻断剂攻击的方式进入植物细胞。这一发现可能会导致新的杀菌剂的出现，以减少水稻和其他有价值谷物的年度损失。

每年，由真菌病原体Magnaportheoryzae引起的稻瘟病都会攻击并杀死占全球水稻作物10%至35%的植物，具体取决于天气条件。

加州大学伯克利分校，由化学和分子与细胞生物学教授MichaelMarletta领导的生物化学家发现，这种真菌分泌一种酶，可以在水稻叶片坚硬的外层上打孔。一旦进入内部，真菌就会迅速生长并不可避免地杀死植物。

在本周发表在美国国家科学院院刊上的一篇论文中，Marletta和他的同事描述了这种酶的结构以及它如何帮助真菌入侵植物。由于这种酶分泌到水稻叶子的表面，简单的喷洒就能有效破坏这种酶消化植物壁的能力。科学家们现在正在筛选化学物质以找到能阻断这种酶的物质。

“据估计，如果你能消灭这种真菌，你就能养活世界上6000万人，”加州大学伯克利分校疾病分子生物学ChohHao和AnnieLi主席Marletta说。“这种酶是一个独特的目标。我们希望通过筛选找到一些独特的化学物质，并分拆一家公司来开发这种酶的抑制剂。”

这个目标是称为多糖单加氧酶(PMO)的酶家族之一，Marletta和他在加州大学伯克利分校的同事10多年前在另一种分布更广的真菌脉孢菌中发现了该酶。多糖是糖聚合物，包括淀粉以及使植物坚固的坚韧纤维，包括纤维素和木质素。PMO酶将纤维素分解成更小的碎片，使多糖对其他酶(如纤维素酶)敏感，并加速植物纤维的分解。

“迫切需要更可持续的稻瘟病控制策略，特别是在南亚和撒哈拉以南非洲地区，”Marletta的同事兼合著者、塞恩斯伯里植物病害专家兼执行董事NicholasTalbot说位于英国诺里奇的实验室。

“鉴于多糖单加氧酶对植物感染的重要性，它可能是开发新化学物质的一个有价值的目标，这种化学物质可以比现有杀菌剂低得多的剂量施用，并且对环境的潜在影响更小。它也可能成为完全无化学方法的目标，例如基因沉默。”

Marletta和加州大学伯克利分校的博士生WillBeeson和ChrisPhillips最初对这些酶很感兴趣，因为它们降解植物纤维素的速度比之前描述的其他酶快得多，因此有可能将生物质转化为糖聚合物，从而更容易发酵成生物燃料.真菌使用PMO提供食物来源。

他和加州大学伯克利分校的同事随后发现了一些线索，表明一些真菌PMO可能不仅仅是将纤维素转化为食物。这些PMO在感染的早期阶段被激活，这意味着它们在感染过程中比提供食物更重要。

这就是Marletta、Talbot和他们的同事发现的。在博士后研究员AlejandraMartinez-D'Alto的带领下，加州大学伯克利分校的科学家们对这种名为MoPMO9A的独特PMO进行了生物化学表征，而Talbot和Sainsbury实验室的博士后研究员XiaYan表明，敲除这种酶可以减少水稻的感染。

Marletta和他在加州大学伯克利分校的同事在攻击葡萄、西红柿、生菜和其他主要作物的真菌中发现了类似的PMO，这意味着新发现可能对植物真菌病害有广泛的应用。

“小分子抑制剂不仅可以用于大米。它们可以广泛用于对抗各种不同的作物病原体，”Marletta说。“我认为，就植物病原体的药物开发而言，这方面的未来非常令人兴奋，这就是为什么我们要像往常一样追求它的基础科学，并尝试将其拼凑起来作为一家公司出去。”

生物燃料引领攻击真菌病原体的途径

Marletta擅长识别和研究人体细胞中新的和不寻常的酶。但10年前，当人们对生物燃料作为应对气候变化的一种方式感到兴奋时，他获得了加州大学伯克利分校能源生物科学研究所的资助，用于寻找其他生命形式中的酶，这些酶比当时已知的酶消化植物纤维素的速度更快.目标是将坚韧的纤维素纤维转化为短链多糖，酵母可以将其发酵成燃料。

在大约一周内，Magnaporthe真菌的孢子在稻叶上生长并侵入，在稻叶中扎根并产生更多的孢子，将感染传播到整个稻田。图片来源：Wilson和Talbot，NatureReviewsMicrobiology

“我对我的两个一年级研究生ChrisPhillips和WillBeeson说，‘你知道，那里一定有能快速吃掉纤维素的生物，’”Marletta说。“那些是我们想要找到的，因为我们知道吃它的酶很慢，而且它们在生物技术意义上并不是特别有用，因为它们很慢。”

Phillips和Beeson成功地在一种常见的真菌脉孢菌中发现了速效酶，这种真菌是火灾后最先攻击死树的真菌之一，并且可以快速消化木材以获取营养。他们分离出负责的酶，第一个已知的PMO，并描述了它是如何工作的。从那时起，Marletta的学生已经鉴定出16,000种PMO，其中大部分存在于真菌中，但也有一些存在于食木细菌中。迄今为止，这些作为其他酶混合物的一部分在加速生物燃料生产方面取得了一些成功，尽管它们还没有使生物燃料与其他燃料竞争。

但Marletta对这16,000个品种中的一小部分很感兴趣，这些品种似乎不仅仅为真菌提供营养。特别是MoPMO9A，它有一个氨基酸片段可以与几丁质结合，几丁质是一种形成真菌外层的多糖，但在水稻中没有发现。尽管所有PMO都被分泌，但MoPMO9A是在真菌的感染周期中分泌的。

随后的研究表明，Magnaporthe将MoPMO9A浓缩在一个称为附着细胞的加压感染细胞中，它从该细胞分泌到植物上，其中一部分酶结合到真菌的外部。该酶的另一端在其中心嵌入了一个铜原子。当真菌将酶的松散端拍打到水稻叶子上时，铜原子催化与氧气的反应以破坏纤维素纤维，从而帮助真菌破坏叶子表面并侵入整个叶子。

“我们很好奇：'嘿，如果这种酶应该对纤维素起作用，为什么它有一个几丁质结合域?'”Marletta说。“那时我们就想，‘好吧，也许它是被分泌出来的，但它会粘附在真菌上。这样，当真菌附着在植物上时，它可以在它和叶子之间形成催化结构域，从而在叶子上打洞。'”

事实证明是这样。Marletta和Talbot现在正在测试其他产生PMO的病原体，看看它们是否使用相同的技巧进入和感染叶子。如果是这样——Marletta相信他们会这样做——这也为使用喷洒杀菌剂攻击它们开辟了道路。

“你唯一能找到像这样的PMO的地方是必须进入宿主的植物病原体。所以，他们几乎肯定会以同样的方式工作，”Marletta说。“我认为开发这种特定PMO抑制剂的工作范围将远远超出水稻，尽管水稻本身非常重要。我们将能够在其他重要的农作物中使用它们。”