一種困擾全球水稻作物的真菌進(jìn)入植物細(xì)胞，使其容易受到簡單的化學(xué)阻斷劑的影響，這一發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致新的殺菌劑，以減少水稻和其他有價(jià)值的谷物的大量年度損失。

每年，由真菌病原體米瘟疫引起的稻瘟病都會(huì)攻擊并殺死占全球水稻作物10%至35%的植物，具體取決于天氣條件。

加州大學(xué)伯克利分校的生物化學(xué)家由化學(xué)、分子和細(xì)胞生物學(xué)教授邁克爾·馬萊塔(Michael Marletta)領(lǐng)導(dǎo)，他們發(fā)現(xiàn)這種真菌分泌一種酶，可以在水稻葉子堅(jiān)韌的外層打孔。一旦進(jìn)入，真菌就會(huì)迅速生長并不可避免地殺死植物。

在本周發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一篇論文中，Marletta和他的同事描述了這種酶的結(jié)構(gòu)以及它如何幫助真菌入侵植物。由于酶分泌到水稻葉子表面，因此簡單的噴霧可以有效地破壞酶消化植物壁的能力?？茖W(xué)家們現(xiàn)在正在篩選化學(xué)物質(zhì)，以找到阻斷這種酶的化學(xué)物質(zhì)。

“據(jù)估計(jì)，如果你能消滅這種真菌，你可以養(yǎng)活世界上60多萬人，”加州大學(xué)伯克利分校疾病分子生物學(xué)的Choh Hao和Annie LiMarletta說。“這種酶是一個(gè)獨(dú)特的靶標(biāo)。我們希望我們能篩選出一些獨(dú)特的化學(xué)物質(zhì)，并分拆出一家公司來開發(fā)這種酶的抑制劑。

這個(gè)靶標(biāo)是Marletta和他的加州大學(xué)伯克利分校的同事10多年前在另一種更廣泛的真菌Neurospora中發(fā)現(xiàn)的稱為多糖單加氧酶(PMO)的酶家族之一。多糖是糖聚合物，包括淀粉以及使植物堅(jiān)固的堅(jiān)韌纖維，包括纖維素和木質(zhì)素。PMO酶將纖維素分解成更小的碎片，使多糖容易受到其他酶(如纖維素酶)的影響，并加速植物纖維的分解。

“迫切需要更可持續(xù)的稻瘟病控制策略，特別是在南亞和撒哈拉以南非洲，”尼古拉斯·塔爾博特說，他是馬萊塔的同事和合著者，植物病害專家和英國諾里奇塞恩斯伯里實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任。“鑒于多糖單加氧酶對植物感染的重要性，它可能是開發(fā)新化學(xué)物質(zhì)的寶貴目標(biāo)，這些化學(xué)物質(zhì)可以以比現(xiàn)有殺菌劑低得多的劑量施用，并且對環(huán)境的潛在影響較小。它也可能是完全無化學(xué)物質(zhì)方法的目標(biāo)，例如基因沉默。

Marletta和加州大學(xué)伯克利分校的博士生Will Beeson和Chris Phillips最初對這些酶感興趣，因?yàn)樗鼈兘到庵参锢w維素的速度比其他先前描述的酶快得多，因此有可能將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為糖聚合物，可以更容易地發(fā)酵成生物燃料。真菌使用PMO來提供食物來源。

他和加州大學(xué)伯克利分校的同事隨后發(fā)現(xiàn)了一些跡象，即一些真菌PMO可能不僅僅是將纖維素轉(zhuǎn)化為食物。這些PMO在感染的早期階段被打開，這意味著它們在感染過程中很重要，而不是提供食物。

這就是Marletta，Talbot和他們的同事發(fā)現(xiàn)的。在博士后研究員Alejandra Martinez-D'Alto的帶領(lǐng)下，加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們對這種獨(dú)特的PMO進(jìn)行了生物化學(xué)表征，稱為MoPMO9A，而Talbot和加州大學(xué)伯克利分校博士后研究員Xia Yan表明，敲除這種酶可以減少水稻植物的感染。

Marletta和他的加州大學(xué)伯克利分校的同事在真菌中發(fā)現(xiàn)了類似的PMO，這些PMO會(huì)攻擊葡萄，西紅柿，生菜和其他主要作物，這意味著新發(fā)現(xiàn)可能對植物真菌病害具有廣泛的應(yīng)用。

“小分子抑制劑可以用來對付的不僅僅是大米。它們可以廣泛用于對抗各種不同的作物病原體，“Marletta說。“我認(rèn)為，就植物病原體的藥物開發(fā)而言，這方面的未來非常令人興奮，這就是為什么我們將像往常一樣追求它的基礎(chǔ)科學(xué)，并試圖將其整合在一起，將其拆分為一家公司。

生物燃料導(dǎo)致攻擊真菌病原體

Marletta專門鑒定和研究人體細(xì)胞中新的和不尋常的酶。但10年前，當(dāng)人們對生物燃料作為應(yīng)對氣候變化的一種方式感到興奮時(shí)，他獲得了加州大學(xué)伯克利分校能源生物科學(xué)研究所的資助，以尋找其他生命形式中消化植物纖維素的速度比當(dāng)時(shí)已知的酶快的酶。目標(biāo)是將堅(jiān)韌的纖維素纖維轉(zhuǎn)化為酵母可以發(fā)酵成燃料的短鏈多糖。

“我對我的兩個(gè)一年級研究生克里斯·菲利普斯(Chris Phillips)和威爾·比森(Will Beeson)說，'你知道，那里一定有生物吃纖維素的速度很快，'”馬萊塔說。這些是我們想要找到的，因?yàn)槲覀冎莱缘寐拿?，而且它們在生物技術(shù)意義上并不是特別有用，因?yàn)樗鼈兒苈?/p>

菲利普斯和比森成功地在一種常見的真菌神經(jīng)孢子蟲中發(fā)現(xiàn)了速效酶，這是一種在火災(zāi)后攻擊枯樹的第一批真菌之一，并且可以快速消化木材以獲取營養(yǎng)。他們分離出負(fù)責(zé)的酶，第一個(gè)已知的PMO，并描述了它是如何工作的。從那時(shí)起，Marletta的學(xué)生已經(jīng)確定了16，000種PMO，大多數(shù)是真菌，但也有一些是食木細(xì)菌。迄今為止，這些在加速生物燃料作為其他酶混合物的一部分的生產(chǎn)方面取得了一些成功，盡管它們還沒有使生物燃料與其他燃料競爭。

但Marletta對這16，000個(gè)品種中的一小部分很感興趣，這些品種似乎不僅僅是為真菌提供營養(yǎng)。特別是MoPMO9A具有與幾丁質(zhì)結(jié)合的氨基酸片段，幾丁質(zhì)是一種形成真菌外層的多糖，但在水稻中沒有發(fā)現(xiàn)。雖然所有的PMO都被分泌，但MoPMO9A是在真菌的感染周期中分泌的。

隨后的研究表明，Magnaporthe將MoPMO9A濃縮在稱為壓迫的加壓感染細(xì)胞中，從中分泌到植物上，一部分酶與真菌的外部結(jié)合。酶的另一端在其中心嵌入了一個(gè)銅原子。當(dāng)真菌將酶的松散端拍打到水稻葉片上時(shí)，銅原子催化與氧氣的反應(yīng)以破壞纖維素纖維，幫助真菌突破葉片表面并侵入整個(gè)葉片。

“我們很好奇：'嘿，如果這種酶應(yīng)該對纖維素起作用，為什么它有一個(gè)幾丁質(zhì)結(jié)合域?'”Marletta說。“那時(shí)我們想，'嗯，也許它是分泌的，但它粘在真菌上。這樣，當(dāng)真菌坐在植物上時(shí)，它可以在它和葉子之間有一個(gè)催化域，將孔打入葉子。

事實(shí)證明，情況確實(shí)如此。Marletta和Talbot現(xiàn)在正在測試產(chǎn)生PMO的其他病原體，看看它們是否使用相同的技巧進(jìn)入并感染葉子。如果是這樣——Marletta相信他們會(huì)這樣做——它也為用噴霧殺菌劑攻擊它們開辟了途徑。

“你唯一能找到像這樣的PMO的地方是植物病原體，它們必須進(jìn)入宿主。所以，他們幾乎肯定會(huì)以同樣的方式工作，“馬萊塔說。“我認(rèn)為開發(fā)這種特定PMO抑制劑的工作范圍將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出水稻，盡管這本身非常重要。我們將能夠在其他重要的作物植物中使用它們。