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氰烯菌酯“降毒素”“防赤霉”作用机理大起底

作者:《农药快讯》《现代农药》 柏亚罗 更新时间:2018-04-02

    “降毒素”、“防赤霉”堪称氰烯菌酯的两大特征性标签,基于此,它在我国小麦安全生产和农业绿色发展中发挥了重要作用。尤其是在近几年我国赤霉病严重发生的年份,氰烯菌酯经受住了严峻考验。

 

    氰烯菌酯是由江苏省农药研究所股份有限公司自主研发的专利品种,其以全新的作用机理获得了国际杀菌剂抗性行动委员会(FRAC)的单独分类(B6:肌球蛋白;第47组:氰基丙烯酸酯类),是目前此组中唯一的化合物,因此它与其他杀菌剂无交互抗性。

 

    在我国创制的50多个新农药中,氰烯菌酯是仅有的全新作用机理的化合物。我国科研人员为此进行了大量的机理研究工作。南京农业大学植物保护学院周明国教授团队、浙江大学生物技术研究所马忠华教授团队先后揭晓了氰烯菌酯“防赤霉”和“降毒素”的作用机理,“肌球蛋白”作为高度选择性农药新靶标及其作为毒素合成调控机制的发现,为氰烯菌酯的科学使用和市场推广,为此类作用机理下新化合物的进一步研发,奠定了坚实的理论基础。

 

 

 

肌球蛋白-Ⅰ参与毒素小体的形成

    2018年1月,马忠华教授团队在国际知名期刊《PLoS Pathogens》上发表了题为“The fungal myosin I is essential for Fusarium toxisome formation”的研究论文,揭示了赤霉病菌毒素合成新机制以及氰烯菌酯杀菌剂抑制毒素合成的分子机理。

 

    本研究综合运用遗传学、细胞和分子生物学等技术手段,发现赤霉病菌在合成毒素时,首先需要形成“毒素小体”的细胞器;该细胞器由内质网重塑形成,在此过程中,肌球蛋白-Ⅰ为内质网重塑形成毒素小体提供动力。

 

浙江大学生物技术研究所马忠华教授

 

    肌球蛋白-Ⅰ(myosin-Ⅰ)分子马达被视为多个细胞过程中细胞膜与肌动蛋白细胞骨架间的连接体,但其在真菌次生代谢物生物合成中的作用尚不清楚。马忠华教授团队研究发现,引起赤霉病(Fusarium head blight;FHB)的禾谷镰孢菌(Fusarium graminearum)肌球蛋白-Ⅰ(FgMyo1)在真菌毒素(mycotoxin)生物合成中起着关键作用。氰烯菌酯(phenamacril)可通过对肌球蛋白-Ⅰ的抑制,显著降低脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol;DON)的生物合成。肌球蛋白-Ⅰ还通过与核糖体相关蛋白FgAsc1互作,调控DON生物合成酶Tri1的翻译。突变体基因型E420K肌球蛋白-Ⅰ下调基因表达或核糖体相关蛋白基因FgAsc1敲除引起的ATP酶活性丧失,均能导致Tri1的翻译水平降低。DON生物合成酶Tri1和Tri4主要位于能诱导真菌毒素产生的毒素小体(toxisomes)的亚细胞结构上;肌球蛋白-Ⅰ互作蛋白——肌动蛋白参与毒素小体的形成。Latrunculin A能使肌动蛋白的聚合受阻,抑制毒素小体组装。这与肌动蛋白相关蛋白FgPrk1和FgEnd3的敲除也会降低毒素小体形成的结果是一致的。令人意外的是,肌球蛋白-Ⅰ-肌动蛋白细胞骨架与被测试的其他次生代谢物的生物合成是不相关的。

 

    因此,此项研究揭示了在丝状真菌中肌球蛋白-Ⅰ参与调控真菌毒素生物合成的新功能。氰烯菌酯通过特异性抑制肌球蛋白-Ⅰ ATP水解酶的活性,进而抑制毒素小体的形成,降低真菌毒素的合成。

 

氰烯菌酯是肌球蛋白-5抑制剂

    早在2015年2月,周明国教授团队在《Scientific Reports》上发表了题为“Whole-genome sequencing reveals that mutations in myosin-5 confer resistance to the fungicide phenamacril in Fusarium graminearum”的研究论文,首次提出了氰烯菌酯的作用机理,阐明了禾谷镰孢菌对氰烯菌酯的抗性机制。FRAC据此给予了氰烯菌酯单独的作用机理和抗性风险分类编码。

 

    周明国教授团队通过10多年的研究,采用全基因组测序技术和其他分子途径,揭示了氰烯菌酯是破坏细胞骨架和马达蛋白的肌球蛋白-5抑制剂,并发现小麦赤霉病菌肌球蛋白-5可以发生不同点突变和遗传调控,产生低、中、高和极高水平的抗药性,提出了氰烯菌酯抗性风险管理策略。

 

    周明国教授团队通过室内药剂驯化方法,获得了室内近亲抗药性菌株,以抗药性菌株为材料,采用随机插入潮霉素基因构建了突变体文库。结果发现,FgFim基因与氰烯菌酯的抗性有关,为了进一步揭示其抗性机理,采用全基因组重测序技术寻找差异突变基因。结果发现,与氰烯菌酯敏感菌株2021相比,在氰烯菌酯所有6个抗性菌株YP-1、Y2021A、B、C、D和F中,只有肌球蛋白-5显示出点突变。肌球蛋白-5基因序列的216、217、418、420或786位点核苷酸发生改变。

 

 

南京农业大学植物保护学院周明国教授

 

    为了进一步证实肌球蛋白-5基因点突变与氰烯菌酯抗性之间的关系,周明国教授团队通过基因同源置换技术证明,肌球蛋白-5基因216、217、418和420位点氨基酸突变是小麦赤霉病菌对氰烯菌酯产生抗性的原因所在,786位点的突变不能影响氰烯菌酯的抗性。

 

    全基因测序研究揭示,禾谷镰孢菌肌球蛋白-5中的基因突变导致这种真菌对氰烯菌酯产生抗性。在此研究基础上,科研人员提出,当氰烯菌酯与敏感菌株相互作用时,其与禾谷镰孢菌肌球蛋白-5结构域相结合,干扰肌球蛋白-5马达活性,影响肌动蛋白组装,从而导致禾谷镰孢菌的死亡或生长缺陷。然而,在抗性菌株中,肌球蛋白-5结构域的突变降低或阻止了氰烯菌酯与其结合,从而使肌球蛋白-5结构域的功能正常。

 

氰烯菌酯防赤霉降毒素

    赤霉病(FHB)是世界范围内谷类作物上的毁灭性病害,除降低谷物产量和质量外,在被侵染的谷物中,禾谷镰孢菌还产生有害的真菌毒素。防治赤霉病最有效的方法是在小麦开花期使用杀菌剂,而氰烯菌酯的使用可以将FHB指数和真菌毒素水平降低80%左右。

(特别感谢南京农业大学植物保护学院段亚冰博士的审阅和修改)

tag: 氰烯菌酯  肌球蛋白-Ⅰ  肌球蛋白-5  赤霉病  禾谷镰孢菌  毒素小体  真菌毒素  作用机理  

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