《食品科学》：甘肃农业大学毕阳教授等：扩展青霉Rho4基因缺失关联苹果果实病健交界处苯丙烷代谢的激活

苯丙烷代谢在植物抗病中具有关键作用，其产生的酚酸和类黄酮可抑制病原菌的生长和繁殖，有效清除过量活性氧（ROS），还可以作为信号分子调控植物的免疫反应。木质素单体不仅参于细胞壁构建，还能直接抑制病原菌的侵染。扩展青霉（

Penicillium expansum

）是重要的采后病原真菌，对多种温带水果具有较强的侵染能力。已有报道表明，

P. expansum

侵染可显著上调苹果果实病健交界处苯丙烷代谢相关基因（

PAL1

PAL2

COMT2

POX64

）表达，促进木质素积累，增强病健交界组织处苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性及抗病相关次生代谢产物的合成。此外，

P. expansum

侵染还可激活梨果实病健交界处的PAL，提高总酚、类黄酮和木质素的含量。这些结果表明，苯丙烷代谢在果实抵御

P. expansum

侵染中发挥了重要作用。

小G蛋白（小GTPases）是真菌中一类重要的GTP结合蛋白家族，能够通过调控丝裂原活化蛋白激酶和环磷酸腺苷信号通路，参与真菌的生长、发育、产毒和致病过程。根据结构和功能的不同，小GTPases主要分为Ras、Rho、Rab/Ypt、Arf/Sar和Ran 5 个亚家族。已有研究发现，小GTPases缺失可显著削弱

P. expansum

对果实的致病力。

甘肃农业大学食品科学与工程学院的范高丽、张学梅、毕阳*等采用

P. expansum

的野生型（WT）、Rho4缺失突变株（ Δ

PeRho4

）和回补突变株（Δ

PeRho4-C

）接种苹果果实，比较接种果实病斑直径的差异；结合转录组学技术筛选病健交界处的差异表达基因（DEGs），并测定苯丙烷代谢关键酶基因的表达量、酶活性及抗病相关次级代谢产物的变化。旨在阐明小GTPase在果实诱导抗病过程中的作用机制，为病原真菌与果实互作关系提供新的分子生物学证据。本研究不仅可以丰富植物-病原菌互作的基础理论研究，亦有望为采后果实病害的生物防控提供新的理论支撑和实践参考。

1

PeRho4

缺失菌株接种对果实病斑大小和直径的影响

病斑大小常被用 作评估病原真菌对果实致病力的重要参数。接种后果实的病斑大小随时间延长逐渐增加，Δ

PeRho4

接种果实的病斑显著小于WT接种果实，Δ

PeRho4-C

接种果实的病斑大小与WT接种果实接近（图1A）。接种后果实的病斑直径明显增加，Δ

PeRho4

接种果实的病斑直径显著低于WT接种果实，第5天时低24.08%，Δ

PeRho4-C

接种果实的病斑直径与WT接种果实接近（图1B）。综上，ΔPeRho4菌株接种降低了其对苹果果实的致病力。

2 Δ

PeRho4

接种对果实病健交界处组织DEGs的影响

通过转录组测序技术对WT和Δ

PeRho4

接种果实的病健交界组织进行比较分析，共筛选到216 个DEGs，其中65 个DEGs显著上调，151 个DEGs明显下调（图2A）。基因本体论（GO）富集分析结果显示，DEGs主要富集在膜、氧化还原酶活性、细胞外区域、超氧化物代谢过程、细胞壁和活性氧代谢等过程（图2B）。京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析结果显示，DEGs共富集到83 个代谢通路，前5 个代谢通路依次为新陈代谢、次级代谢生物合成、苯丙烷类生物合成、植物激素信号转导、半乳糖代谢（图2C，WT-6 h vs

Rho4-6

h）。涉及苯丙烷代谢的4 个DEGs上调。其中，

CYP73A14

（ncbi_103418775）参与苯丙烷代谢第2步反应，

CAD1

（MSTRG.29139）参与木质素单体形成，

ALDH2C4

（ncbi_103400588）参与木质素单体聚合，

SAT

（ncbi_103431869）参与催化类黄酮糖苷的酰基化生成类黄酮。Δ

PeRho4

接种后这4 个基因分别上调了2.94、4.50、2.72 倍和2.29 倍（图2D）。

3 Δ

PeRho4

接种对果实病健交界处组织苯丙烷代谢相关酶基因表达量和活性的影响

PAL、C4H、4CL和CAD是参与苯丙烷代谢的关键酶。Δ

PeRho4

和WT接种果实的PAL表达量和活性均呈单峰型变化，Δ

PeRho4

接种果实的表达量和活性显著高于WT接种果实，第1天的表达量和第3天的活性分别高出31.52%和59.77%（图3A、B）。Δ

PeRho4

和WT接种果实的C4H表达量和活性均先降低后升高，Δ

PeRho4

接种果实的表达量和活性显著高于WT接种果实，7 d时分别高出89.57%和27.80%（图3C、D）。Δ

PeRho4

和WT接种果实的4CL表达量呈单峰型变化，Δ

PeRho4

接种果实的表达量和活性显著高于WT接种果实，5 d时分别高出3.46 倍和28.91%（图3E、F）。Δ

PeRho4

和WT接种果实的CAD表达量和活性均呈双峰型变化，第5天的表达量和第7天的活性分别高出WT接种果实45.34%和17.93%（图3G、H）。上述结果表明，Δ

PeRho4

接种激活了果实病健交界处的PAL、C4H、4CL和CAD。

4 ΔPeRho4接种对果实病健交界处组织5 种酚酸和总酚含量的影响

酚酸是苯丙烷代谢合成的重要产物。Δ

PeRho4

和WT接种果实的

p

-香豆酸和肉桂酸含量均呈单峰型变化，Δ

PeRho4

接种果实的含量显著高于WT接种果实，3 d时分别高出80.92%和18.19%（图4A、B）。Δ

PeRho4

和WT接种果实的咖啡酸含量呈双峰型变化，Δ

PeRho4

接种果实的含量显著高于WT接种果实（图4C）。Δ

PeRho4

和WT接种果实的阿魏酸、芥子酸和总酚含量均逐渐升高，Δ

PeRho4

接种果实的含量均显著高于WT接种果实，在3 d时分别高出49.63%、47.95%和16.65%（图4D～F）。上述结果表明，Δ

PeRho4

接种提高了果实病健交界处组织的5 种酚酸和总酚水平。

5 ΔPeRho4对果实病健交界处组织3 种木质素单体、木质素和类黄酮含量的影响

肉桂醇、芥子醇和松柏醇是构成木质素的3 种单体。Δ

PeRho4

和WT接种果实的肉桂醇和松柏醇含量均逐渐升高，Δ

PeRho4

接种果实的含量显著高于WT接种果实，1 d时分别高出67.04%和52.26%（图5A、B）。Δ

PeRho4

和WT接种果实的芥子醇含量呈单峰型变化，且Δ

PeRho4

接种果实含量显著高于WT接种果实（图5C）。Δ

PeRho4

和WT接种果实的木质素和类黄酮含量均逐渐升高，Δ

PeRho4

接种果实的含量均显著高于WT接种果实（图5D、E）。上述结果表明，Δ

PeRho4

接种提高了果实病健交界处组织的3 种木质素单体以及木质素和类黄酮的水平。

苯丙烷代谢在果实抵御病原菌侵染中发挥着关键作用。该途径的起始步骤由PAL催化苯丙氨酸脱氨反应，生成反式肉桂酸，经C4H作用生成

p

-香豆酸，进一步羟基化和甲基化修饰后依次生成咖啡酸、阿魏酸和芥子酸。这些酚酸可通过4CL活化转化为相应的辅酶衍生物，随后在CAD等酶催化下形成木质素单体，参与细胞壁木质素的生物合成。此外，苯丙烷代谢的中间产物还可作为查耳酮合酶和查耳酮异构酶作用底物，合成类黄酮等次生代谢产物，增强植物抗病性。本研究发现，在Δ

PeRho4

接种诱导了果实病健交界处的PAL、C4H、4CL和CAD活性及其基因表达量（图3），提高了5 种酚酸、3 种木质素单体、总酚、木质素以及类黄酮的含量（图4、5）。表明苯丙烷代谢被显著激活。转录组分析还发现与苯丙烷代谢相关的多个基因上调（图2），进一步支持这一代谢通路在防御反应中被诱导活化。

值得注意的是，与野生型菌株相比，Δ

PeRho4

突变株的致病性明显下降，表现在病斑扩展速度减缓和病斑直径减小。这种致病性削弱可能导致宿主果实受损程度降低，从而影响果实防御反应的启动与调控。已有研究表明，病原菌的致病力和宿主的防御反应存在密切关联，当病原的致病力下降时，宿主可通过调整代谢途径，增强局部防御反应以抵御侵染进展。此外，植物激素在防御反应调控中也发挥着重要作用。转录组数据表明，Δ

PeRho4

接种果实病健交界处水杨酸（SA）信号通路上调，赤霉素（GA）和生长素（IAA）合成相关基因下调。已有研究证实，SA在诱导植物抗病性反应、激活苯丙烷代谢和促进酚类物质积累中具有重要作用。而IAA和GA常与SA信号存在拮抗关系。因此，推测

Rho4

缺失导致的致病性下降，可能通过促进SA信号积累，进一步增强了果实苯丙烷代谢及防御物质的合成。

呼吸代谢在果实抗病中发挥着重要作用，既可为抗病物质的形成提供碳骨架，又可提供抗病所需的能量和还原力。糖酵解和磷酸戊糖途径可提供莽草酸途径的底物磷酸烯醇丙酮酸和赤鲜糖-4-磷酸，促进苯丙氨酸合成，从而为苯丙烷代谢提供前体物质。同时，呼吸代谢还能通过生成ATP和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH，为防御代谢提供能量与还原力。表明Δ

PeRho4

接种不仅激活了苯丙烷代谢通路，也可能通过增强呼吸代谢途径，间接促进了防御物质的合成积累。

综上所述，

Rho4

基因缺失导致

P. expansum

致病力下降，果实在较低侵染压力下通过上调SA信号通路、激活苯丙烷代谢，增强防御相关次生代谢产物积累。同时，基础呼吸代谢的增强也为防御反应提供了必要的能量和前体物质。该研究揭示了病原真菌小GTPase通过调控宿主防御反应的潜在机制，为进一步解析病原-宿主互作关系及采后果实病害防控提供了新的理论依据。

结论

PeRho4

接种显著激活了苹果果实病健交界处的苯丙烷代谢途径，并伴随相关抗病代谢产物的积累，提示病原菌致病性减弱可能通过诱导寄主防御反应调控苯丙烷代谢。本研究证明了

PeRho4

缺失可激活果实病健交界处组织的苯丙烷代谢，为阐明病原真菌小GTPase在诱导果实抗病中的作用机制提供了新证据。

通信作者：

毕 阳 教授

甘肃农业大学食品科学与工程学院

毕阳，男，汉族，河北省井陉县人，无党派代表人士。甘肃省政府参事，甘肃农业大学食品科学与工程学院教授、博士研究生导师。国际沙棘协会技术委员会委员，中国植物病理学会产后病理学专业委员会副主任委员，中国水土保持学会水土保持植物专业委员会副主任委员，中国农学会农产品物流分会副主任委员，中国农业工程学会农产品物流工程专业委员会副主任委员，中国菌物学会食用菌采后与加工产业分会副会长，中国农学会农产品贮藏加工分会常务理事，中国园艺学会采后科学与技术分会常务理事，“科创中国”“一带一路”国际特色果品产业科技创新院理事会副理事长，农业农村部农产品冷链物流标准化技术委员会副主任委员，教育部高等学校食品科学与工程类专业教学指导委员会委员。《Frontiers in Plant Science》副主编，《甘肃农业大学学报》副主编、编委，《中国农业科学》《Journal of Integrative Agriculture》《Horticulturae》《Future Postharvest and Food》《食品科学》《食品工业》和《食品安全质量检测学报》编委。

1982年本科毕业于甘肃农业大学园艺系，1982年至1986年在兰州市果品茶叶公司工作，1989硕士毕业于新疆农业大学农产品贮藏加工专业，1989年至今在甘肃农业大学食品科学与工程学院任教，2006年在职博士毕业于兰州大学生命科学院植物学专业。法国国家农业研究院昂热研究中心和中国科学院植物研究所高级访问学者。主要从事果蔬采后生物学与技术、果蔬加工和果蔬真菌毒素方面的教学和科研工作，专长于果蔬采后病害的发生机理及其控制。先后主持完成国家和省部级科研项目20余项，获全国商业科技进步特等奖1 项，省部级科技进步一等奖1 项、二等奖4 项，省部级自然科学和技术发明二等奖各1 项。主编专著和教材3 部，副主编专著和教材5 部，参编专著和教材6 部（其中国外专著4 部）。在《Plant Physiology》《Plant Journal》《Food Chemistry》《Postharvest Biology and Technology》《中国农业科学》和《食品科学》等国内外学术刊物和国际会议论文集发表论文400余篇，其中SCI论文150余篇。指导毕业博硕士研究生百余名。

第一作者：

范高丽硕士研究生

甘肃农业大学食品科学与工程学院

女，汉族，中共党员， 2001年3月22日出生于山东省烟台市。2023年7月毕业于内蒙古农业大学食品科学与工程学院食品质量与安全专业，获得工学学位；2023年9月考入甘肃农业大学食品科学与工程学院食品工程专业攻读硕士研究生，师从毕阳教授，主要研究方向为采后生物学与技术。

本文《扩展青霉Rho4基因缺失关联苹果果实病健交界处苯丙烷代谢的激活》来源于《食品科学》2025年46卷第19期107-115 页， 作者：范高丽，张学梅，王雪雪，朱丹丹，项芯悦，宗元元，Dov PRUSKY1，毕 阳*。 DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250408-056。 点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑：林安琪；责任编辑：张睿梅。点击下方 阅读原文 即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网