江苏大学张红印教授团队在国际食品顶级期刊发表综述，系统阐述病原菌侵染果实的分子机制及其防治策略方面的最新研究进展

近日，江苏大学食品与生物工程学院张红印教授在Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety（IF=9.912）在线发表题为“Securing fruit production: opportunities from the elucidation of the molecular mechanisms of postharvest fungal infections”的综述（http://doi.org/10.1111/1541-4337.12729），系统阐述了病原菌侵染水果的分子机制及其防治策略方面的最新研究进展。 江苏大学博士后Guillaume Legrand Ngolong Ngea、硕士生钱鑫、副教授杨其亚为文章的并列第一作者；江苏大学张红印教授和意大利莫利泽大学Raffaello Castoria教授为本文的共同通讯作者。

1.简 介

根据世界卫生组织（WHO）的报告指出，水果消费与健康生活息息相关。近年来，消费者对优质新鲜水果的需求不断增加。而由于含水量高，水果对真菌的侵染非常敏感。全球的最新统计数据显示，每年约有25%的水果和蔬菜在生产领域和采后链上损失掉，且大都 是由真菌病害造成的。

致病性霉菌造成的危害和风险导致水果不可食用，且引起的感染导致新鲜水果的品质发生了很大的变化。许多变化发生在整个水果质量的不同水平上，例如颜色、气味、外观、质地的变化，最重要的是水果的营养价值的降低。水果及其衍生产品的安全性也受到霉菌的严重影响。具有产真菌毒素能力的霉菌在侵染果实时还往往会生成真菌毒素，如苹果、梨、桃和葡萄等水果的采后致病菌扩展青霉会产生展青霉素（PAT）；黄曲霉毒素污染则会影响无花果、枣、柑橘类水果和葡萄干；曲霉属、青霉属的某些菌株会产生赭曲霉毒素（OTA）；在葡萄和干果等产品中则发现了由黑曲霉产生的伏马菌素B2（FB2）的污染。

近年来，有关采后真菌感染的研究已发表了一些有意义的综述，但分子遗传学研究的新知识仍在飞速发展，基因表达差异分析和诱变等分子遗传技术的应用，为真菌侵染水果的分子机理提供了新的认识。今天比以往任何时候都更需要的是，这些卓越的研究必须综合起来，以期为更具针对性和可持续性的防治采后病原菌创造新的方法。因此，本论文聚焦于病原真菌侵染水果分子机制的最新研究进展，并讨论这些研究结果的相关性，以期为采后水果质量和安全的全面管理制定新的策略。

2.水果采后的真菌感染

2.1真菌感染的生理过程

真菌感染水果的过程通常从空气、昆虫、土壤颗粒、收获工具、工人的手等携带的孢子到达水果表面开始。采后病原真菌主要通过三种途径进入果实组织：（1）通过生物和非生物因子造成的伤口；（2）通过植物器官的自然开口，如花梗-果实界面和气孔；（3）直接破坏果实表皮。

通常，孢子需要适当的刺激才能开始萌发。成熟果实比未成熟果实更容易感染，这主要是由于果实成熟伴随着衰老的开始，果实衰老与防御系统减弱、组织软化和乙烯生成增加有关。通常情况下，孢子在萌发前会“扫描”环境，从湿度、养分利用率、温度、pH值、地形特征、疏水性、硬度、果脂、植物激素等方面评估其适宜性。

在检查周围介质的适宜性后，真菌分生孢子附着在果实表面并开始萌发。胚芽管末端会形成一个附着胞，而附着胞通常形成一个穿透栓，以便于进入果实。穿透栓达到一定长度后，通常通过机械力和/或分泌水解酶（如多聚半乳糖醛酸酶、角质酶和脂肪酶）进入寄主果实。而有些病原真菌并不能分泌角质酶，它们只能通过破损的水果表皮入侵。

2.2真菌感染的分子机制

• 环境刺激：

散布在环境中的真菌的孢子，当它们感受到良好的生长条件时就会发芽。它们的表面含有许多蛋白质（受体）来感知环境以及寄主果实的刺激。这些包括TCS（双组分信号转导系统）、RTKs（受体酪氨酸激酶）或多蛋白结构。单体或异源三聚体GPCRs（G蛋白偶联受体）也可以连接多种信号通路和环境信号。真菌对信号的感知是感染过程成功的关键，它整合了乙烯、光和pH的传感。

• 感染信号传递：

在适当的环境刺激下，真菌孢子通过复杂的分子机制整合感染信号。细胞内的信号传递通常是通过各种特定的信号途径进行的。MAPK（mitogen activated protein kinase）、环磷酸腺苷（cAMP）、蔗糖非发酵1/AMP活化蛋白激酶（SFN/AMPK）和高渗甘油（HOG）是迄今为止水果真菌侵染的主要信号途径（图1 ）。

图1. 病原真菌信号转导和感染机制的一般示意图

• 转录因子（TF）激活：

在基因表达之前，TFs是确定被转录基因序列和调节转录顺利进行所必需的。某些TFs在细胞过程中起关键作用，可被许多细胞信号通路激活。如钙调神经磷酸酶是一种丝氨酸/苏氨酸磷酸酶蛋白，主要通过真菌应对应激的内部机制来控制应激存活。钙调神经磷酸酶被钙离子水平的增加所激活。钙调神经磷酸酶反应性TF crz1表达的中断可能影响指状青霉的分生、致病力和对去甲基化抑制剂（DMI）的抗性。总之，关键的TFs在不同MAPK通路的相互连接以及与参与重要细胞机制的其他信号通路的相互作用中起着关键作用，这些TFs很可能是不同细胞信号通路之间的交叉点。因此，感染控制策略的一个关键方面是以关键的TFs为靶点，以实现对感染过程的更大抑制。

• 基因表达对刺激的反应：

在真核细胞的细胞核中，DNA与被称为组蛋白的特殊蛋白质凝结，从而构成染色质。通过修饰组蛋白，细胞改变染色质的结构并调节基因的表达。例如，表观遗传阅读基因SntB（扩展青霉组蛋白修饰蛋白编码基因）的缺失导致了PAT和桔青霉素（CIT）的毒性缺陷和积累减少。SntB对调节LaeA、CreA和PacC等TFs至关重要，它们是次级代谢和毒力的关键调节因子。对组蛋白修饰的重要性的研究是病原真菌控制领域中一项新的、有前途的研究。近年来，基因组测序和转录组分析的最新进展促进了对宿主-病原体相互作用的全面理解，如挖掘出水解酶分泌、真菌毒素产生和特殊真菌结构的表达等在真菌侵染过程中的重要作用。

3.保障水果安全生产的最新策略

化学杀菌剂通过多种机制发挥作用，包括抑制线粒体呼吸链、甾醇生物合成和微管组装。然而，由于食品中的有毒残留物，杀菌剂在食品中的使用给全世界带来了健康问题。此外，各种杀菌剂面临着真菌病原体产生耐药性的风险。去甲基化抑制杀菌剂（DMIs）广泛应用于医药和农业领域，而越来越多的致病菌如指状青霉、扩展青霉和桃褐腐病菌等展现出对DMIs的耐药性。因此，人们对环境友好且广谱高效的控制方法越来越感兴趣。 通过对侵染机理的理解，采取相应的防治措施，可以促进果实采后病害的持续预防甚至根除。对果实采后侵染分子机制的研究有助于鉴定重要的抗真菌蛋白 / 基因。以真菌感染的生理和分子机制为基础的各种生物技术方法现已成为化学杀菌剂的替代方法。这些方法在控制水果病原真菌方面有很大的应用前景，可分为两类：简单的侵染过程干扰和复杂的侵染过程干扰。简单的侵染过程干扰方法针对真菌病原体的特定途径来特异性地改变感染的正常过程，并且可以通过使用生物抑制剂、真菌细胞壁和膜降解酶以及抗真菌蛋白来发挥作用（图 2 ）。

图2. 微生物生防剂与病原菌和寄主果实相互作用模式

复杂的侵染过程干扰方法指采用一些生物技术和物理化学方法通过结合多种抗真菌病原体的作用模式，以复杂的方式破坏感染过程，而不是使用特定的改变。这些方法虽然不易解释，但在降低果实真菌侵染率方面比前者更有效。它们包括使用天然分子、微生物拮抗剂、辐照、热水处理（HWT）和盐等（图3）。

图3.防止真菌侵染果蔬的策略及其分子机制

PG：多聚半乳糖醛酸酶；TCS：双组分信号转导系统；RTKs：受体酪氨酸激酶；GPCRs：G蛋白偶联受体；MAPK：丝裂原活化蛋白激酶途径；HOG：高渗甘油途径；cAMP：环磷酸腺苷途径。

4.结论和展望

真菌生理调节机制以及附着胞或菌核等特殊结构的生物合成机制对于致病性霉菌的感染和生长是相对必要的。真菌侵染的分子机制，主要是MAPK模块的研究，为阐明真核细胞信号系统的机制提供了一个可供参考的模型。然而，真菌毒素在霉菌致病性和毒力中的作用尚需进一步研究。新兴的组学分析技术和CRISPR-Cas9技术可被广泛用于检测与果实侵染有关的基因和真菌蛋白。

生物防治方法被证明与病原真菌感染的机制密切相关。使用生物抑制剂、水解酶、天然化合物和生物防治剂来控制/预防水果感染是生物技术的新的发展方向。HWT与UV辐射的协调结合，以及适当应用植物提取物和适当的生防菌剂，可以产生有效的抗真菌管理体系。综合防治应该达到预期的效果，需要考虑协同效应，为确保防治方法的有效性和具体性，鼓励采取更有针对性的战略。这些有针对性的策略可以集中在与侵染信号传递有关的关键蛋白质上，如膜受体、激酶和枢轴TFs，它们是决定真菌能否侵染水果所必需的。

最后，评估采后水果中真菌侵染的机制应侧重于研究信号通路的分子机制和水果对侵染刺激的反应，这些机制已被证明是可靠的，以便建立有效的控制策略以确保水果生产的安全。

通讯作者简介：

张红印教 授

张红印，江苏大学食品与生物工程学院副院长、教授、博士生导师，福建省“闽江学者”讲座教授，中国植物病理学会产后病理学专业委员会副主任，国际学术期刊（SCI收录）《New Zealand Journal of Crop and Horticultural Science》副主编，《Physiological and Molecular Plant Pathology》编委。先后主持各类科研项目30项，其中国家级5 项（含国家基金面上项目4 项），省部级19 项。先后被评为江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师，江苏省“333”工程中青年科学技术带头人(两次获得)，“江苏省六大人才高峰”人才、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省优秀博士论文指导教师、镇江市优秀教育工作者等学术称号。获得中国食品科学技术学会杰出青年奖、中国产学研合作创新奖(个人)。张红印教授带领的团队多年来一直从事果蔬采后病害生物防治及农产品真菌毒素生物降解的基础理论研究及应用技术开发等科研工作，以第一或通讯作者发表论文150余篇，其中SCI 收录100余篇(IF 11.0以上的3 篇，5-11之间的20余篇)、EI收录20 篇，授权国家发明专利14 件。张红印教授主持的项目分别获得中国商业联合会技术进步一等奖1 项，教育部自然科学二等奖1 项，中国食品科学技术学会技术进步二等奖1 项，江苏省科学技术三等奖2 项，中国轻工业联合会技术进步三等奖1 项。

共同通讯作者简介：

Raffaello Castoria教 授

Raffaello Castoria，意大利莫利泽大学教授、博士生导师。Castoria教授长期从事果蔬采后病害生物防治及农产品毒素生物降解的研究工作，是国际果蔬采后病害生物防治研究领域的先驱之一，曾在联合国食品与农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations, F.A.O.）担任科学与技术顾问。其先后主持完成28项科学研究项目，出版学术专著7部，在国际学术期刊及学术会议发表论文150余篇，是Biocontrol、Phytopathology、Journal of Plant Pathology、Journal of Phytopathology等10余份国际学术期刊审稿人，是国际园艺科学学会（ISHS）、美国植物病理学会（APS）、意大利植物病理学会（SIPAV）、国际有害动植物生物控制组织（IOBC）、国际分子-植物-微生物相互作用协会（IS-MPMI）等协会会员。

第一作者简介：

Guillaume Legrand Ngolong Ngea博士后

Guillaume Legrand Ngolong Ngea，江苏大学食品与生物工程学院博士后， 喀麦隆Yaounde博士毕业，博士期间主要研究生物聚合物在农牧产品中的结构表征和定位，目前在江苏大学主要研究果蔬采后病害生物防治，已经发表 SCI 论文 8 篇，其中以第一作者身份在Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety发表 综述文章 2 篇，在 Food Chemistry 和 International Journal of Food Microbiology 各发表研究性论文 1 篇。

共同第一作者简介：

钱 鑫博士研究生

钱鑫，江苏大学食品与生物工程学院2017级硕士研究生，就读期间主要从事果蔬采后病理等相关研究，以第一作者（含共同一作）发表SCI论文4 篇，硕士论文被评为江苏大学优秀硕士论文。目前在江南大学食品学院生物技术中心攻读博士学位，从事功能性益生菌资源发掘、益生菌功能机制解析等相关研究。

共同第一作者简介：

杨其亚副教授

杨其亚，江苏大学食品与生物工程学院副教授、硕士生导师，江苏省优秀博士论文获得者， 江苏省“双创计划”科技副总，国家自然科学基金评审专家，Trends in Food Science & Technology, Toxicon, Postharvest Biology and Technology、Biological Control等10余份国际期刊审稿人。主要从事果蔬采后病害生物防治相关研究，先后主持各类科研项目5项，其中国家自然科学基金青年基金1 项，江苏省高等学校自然科学研究面上项目1 项；分别以主要完成人（排名第二和第七）的身份完成国家自然科学基金面上项目2 项，以主要完成人（排名第二）的身份完成江苏省科技支撑计划（农业）项目1 项。发表论文20 篇，其中SCI 收录18 篇（JCR二区及以上16 篇），授权国家发明专利3 件。先后获得省部级一等奖1 项、二等奖2 项、三等奖2 项。

该文章《Securing fruit production: Opportunities from the elucidation of the molecular mechanisms of postharvest fungal infections》于2021年3月4日在线发表于COMPREHENSIVE REVIEWS IN FOOD SCIENCE AND FOOD SAFETY。点击下方 阅读原文 即可查看摘要原文。

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编辑：袁月；责编：张睿梅

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