这一发现可能导致新的杀菌剂来保护水稻作物

一种困扰全球水稻作物的真菌进入植物细胞，使其容易受到简单的化学阻断剂的影响，这一发现可能导致新的杀菌剂，以减少水稻和其他有价值的谷物的大量年度损失。

每年，由真菌病原体米瘟疫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的生物化学家由化学、分子和细胞生物学教授迈克尔·马莱塔(Michael Marletta)领导，他们发现这种真菌分泌一种酶，可以在水稻叶子坚韧的外层打孔。一旦进入，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》(Proceedings of the National Academy of Sciences)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。由于酶分泌到水稻叶子表面，因此简单的喷雾可以有效地破坏酶消化植物壁的能力。科学家们现在正在筛选化学物质，以找到阻断这种酶的化学物质。

“据估计，如果你能消灭这种真菌，你可以养活世界上60多万人，”加州大学伯克利分校疾病分子生物学的Choh Hao和Annie LiMarletta说。“这种酶是一个独特的靶标。我们希望我们能筛选出一些独特的化学物质，并分拆出一家公司来开发这种酶的抑制剂。

这个靶标是Marletta和他的加州大学伯克利分校的同事10多年前在另一种更广泛的真菌Neurospora中发现的称为多糖单加氧酶(PMO)的酶家族之一。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，使多糖容易受到其他酶(如纤维素酶)的影响，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，”尼古拉斯·塔尔博特说，他是马莱塔的同事和合著者，植物病害专家和英国诺里奇塞恩斯伯里实验室执行主任。“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宝贵目标，这些化学物质可以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较小。它也可能是完全无化学物质方法的目标，例如基因沉默。

Marletta和加州大学伯克利分校的博士生Will Beeson和Chris Phillips最初对这些酶感兴趣，因为它们降解植物纤维素的速度比其他先前描述的酶快得多，因此有可能将生物质转化为糖聚合物，可以更容易地发酵成生物燃料。真菌使用PMO来提供食物来源。

他和加州大学伯克利分校的同事随后发现了一些迹象，即一些真菌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打开，这意味着它们在感染过程中很重要，而不是提供食物。

这就是Marletta，Talbot和他们的同事发现的。在博士后研究员Alejandra Martinez-D'Alto的带领下，加州大学伯克利分校的科学家们对这种独特的PMO进行了生物化学表征，称为MoPMO9A，而Talbot和加州大学伯克利分校博士后研究员Xia Yan表明，敲除这种酶可以减少水稻植物的感染。

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

“小分子抑制剂可以用来对付的不仅仅是大米。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，这就是为什么我们将像往常一样追求它的基础科学，并试图将其整合在一起，将其拆分为一家公司。

生物燃料导致攻击真菌病原体

Marletta专门鉴定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，以寻找其他生命形式中消化植物纤维素的速度比当时已知的酶快的酶。目标是将坚韧的纤维素纤维转化为酵母可以发酵成燃料的短链多糖。

“我对我的两个一年级研究生克里斯·菲利普斯(Chris Phillips)和威尔·比森(Will Beeson)说，'你知道，那里一定有生物吃纤维素的速度很快，'”马莱塔说。这些是我们想要找到的，因为我们知道吃得慢的酶，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。

菲利普斯和比森成功地在一种常见的真菌神经孢子虫中发现了速效酶，这是一种在火灾后攻击枯树的第一批真菌之一，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的学生已经确定了16，000种PMO，大多数是真菌，但也有一些是食木细菌。迄今为止，这些在加速生物燃料作为其他酶混合物的一部分的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是为真菌提供营养。特别是MoPMO9A具有与几丁质结合的氨基酸片段，几丁质是一种形成真菌外层的多糖，但在水稻中没有发现。虽然所有的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浓缩在称为压迫的加压感染细胞中，从中分泌到植物上，一部分酶与真菌的外部结合。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片上时，铜原子催化与氧气的反应以破坏纤维素纤维，帮助真菌突破叶片表面并侵入整个叶片。

“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。“那时我们想，'嗯，也许它是分泌的，但它粘在真菌上。这样，当真菌坐在植物上时，它可以在它和叶子之间有一个催化域，将孔打入叶子。

事实证明，情况确实如此。Marletta和Talbot现在正在测试产生PMO的其他病原体，看看它们是否使用相同的技巧进入并感染叶子。如果是这样——Marletta相信他们会这样做——它也为用喷雾杀菌剂攻击它们开辟了途径。

“你唯一能找到像这样的PMO的地方是植物病原体，它们必须进入宿主。所以，他们几乎肯定会以同样的方式工作，“马莱塔说。“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，尽管这本身非常重要。我们将能够在其他重要的作物植物中使用它们。