一作解读 | Nature Communications | 西北农林科技大学揭示植物病原真菌...

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（来源：小麦研究联盟）

小麦条锈病是严重威胁全球粮食安全的重大气传性真菌病害。在我国，以三唑酮为代表的14α脱甲基化抑制剂（DMI）是防控该病害的最主要药剂。然而，长期单一用药导致条锈菌抗药性日益增强。传统观点认为抗性主要源于靶标基因Cyp51的突变，但田间监测发现越来越多抗性菌株并无该基因突变或表达量改变，这成为了抗药性研究领域的未解之谜。

近日，西北农林科技大学康振生院士团队在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）发表了题为“Vacuolar iron transporters mediate resistance to triadimefon in plant pathogenic fungi” 的研究论文。该研究首次揭示了条锈菌通过液泡铁转运蛋白介导胞内“铁解毒”来抵抗杀菌剂的非靶标抗药新机制。

1.多组学联合分析锁定三唑酮抗性候选基因 为寻找未知的抗性基因，研究团队利用一株低水平抗性且Cyp51无突变的分离株（YQ324）与高度敏感分离株（Gui1-2）杂交，构建了具备明确表型分离的F2代有性群体。通过对该群体进行混池测序（BSA-seq），将抗性位点精准锁定在第6号和11号染色体上。结合药剂胁迫下的转录组测序（RNA-seq），研究发现在第6号染色体区间内，有三个编码液泡铁转运蛋白的同源基因（PstCCC1.1、PstCCC1.2和PstCCC1.3）显著响应三唑酮处理，且在加权基因共表达网络中处于核心枢纽位置，被确定为关键候选基因。

图1. 候选基因鉴定与表达网络分析

2.沉默PstCCC1基因导致病原菌抗药性显著下降并引发胞内铁过载 为验证候选基因的功能，研究人员利用大麦条纹花叶病毒（BSMV）介导的寄主诱导基因沉默（HIGS）和稳定遗传的（RNAi）转基因小麦，特异性敲低了条锈菌这三个基因的表达。结果显示，基因被沉默后，条锈菌对三唑酮、戊唑醇和己唑醇等DMI杀菌剂的抗性显著降低，但对作用机制不同的氟苯醚酰胺敏感性未改变。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析进一步揭示，三唑酮处理虽然不改变病菌总铁含量，但会导致剧毒的亚铁离子在细胞质中异常富集，而外源添加铁离子会加剧药害，使用铁螯合剂（BPS）则能挽救病菌生长。

图2. 沉默PstCCC1基因降低三唑类杀菌剂抗性并影响胞内铁稳态

3.铁稳态失衡与低水平抗性株的麦角甾醇非依赖性生存密切相关 为探究不同抗性水平菌株对靶标Cyp51的依赖程度，研究对比了敏感株、低水平抗性株和中等水平抗性株在沉默Cyp51后的表型与生化指标。结果表明，中等抗性株（携带Cyp51Y134F突变）的抗药性高度依赖于麦角甾醇的合成维持。相比之下，低抗分离株具有显著的麦角甾醇非依赖性抗性机制。更为关键的是，细胞质铁含量的积累模式与麦角甾醇水平呈现完美的负相关，证明维持细胞内铁离子的正常区隔化是决定条锈菌三唑酮敏感性的核心因素。

图3. 细胞质铁含量与麦角甾醇依赖性响应分析

4.自然突变赋予PstCCC1蛋白更强的铁解毒与抗药功能 序列比对发现，抗性菌株中的PstCCC1.2和PstCCC1.3基因发生了关键的自然非同义突变。通过在酵母铁转运缺陷突变体（ΔCCC1）中进行异源表达互补实验，研究证实携带突变位点的蛋白（PstCCC1.2R82C,S86P,E109K和PstCCC1.3R306C,S310P,E333K）能够赋予酵母比野生型基因更强的耐铁毒和耐三唑酮能力。离子含量测定显示，突变型蛋白能够更高效地将细胞质中的铁离子泵入液泡中进行隔离存储，从而大幅降低胞质有毒铁浓度。

图4. PstCCC1及其突变体的生理生化功能分析

5.突变体有效阻断杀菌剂引发的铁依赖性氧化损伤 三唑酮诱发的胞质“铁过载” 会引发严重的细胞毒性。流式细胞术检测表明，三唑酮处理显著增加了酵母细胞内活性氧（ROS）的积累和脂质过氧化水平，而添加铁死亡抑制剂（Fer-1）能够有效缓解这一损伤，证明杀菌剂诱发了铁依赖性的氧化性细胞死亡。在异源表达抗性突变体基因（PstCCC1.2R82C,S86P,E109K和PstCCC1.3R306C,S310P,E333K）的酵母菌株中，ROS和脂质过氧化水平较表达非突变基因的菌株显著降低，进一步证实这些功能增强的突变蛋白通过高效转运铁离子，成功阻断了致死性的氧化损伤级联反应。

图5. 突变体降低真菌内ROS与脂质过氧化水平

6.生物物理学测定揭示突变重塑蛋白结合亲和力 为了从分子层面解释突变蛋白功能增强的原因，研究人员对体外纯化的PstCCC1蛋白进行了微量热泳动（MST）和等温滴定微量热法（ITC）分析。结果清晰地表明，所有靶蛋白均能与铁离子结合，但携带关键氨基酸突变的PstCCC1.2R82C,S86P,E109K和PstCCC1.3R306C,S310P,E333K蛋白，其结合铁离子的亲和力（解离常数Kd）和结合化学计量比（n）均出现大幅显著跃升。结合蛋白结构预测，这表明非同义突变引发了蛋白构象的优化，从而显著增强了其捕获和转运亚铁离子的效率。

图6. MST与ITC分析铁离子结合亲和力

7.液泡铁转运介导的解毒抗性机制在真菌界高度保守 这种“铁解毒” 抗药机制是否为条锈菌独有？研究团队在引发小麦赤霉病的子囊菌—禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）中进行了机制的保守性验证。通过同源序列比对和体外定点突变，在禾谷镰刀菌的FgCCC1蛋白中引入了对应位点的突变（FgCCC1R181P,S185D）。表型与离子定量分析显示，带有该突变的病原菌同样表现出细胞质铁含量的显著降低，并伴随对三唑酮、戊唑醇等DMI类杀菌剂抗性的急剧提升。这有力地证明了通过调节液泡铁转运通路进行解毒，是整个真菌界在应对外界化学胁迫时一种高度保守的适应性进化策略。

图7. CCC1介导的抗药机制在禾谷镰刀菌中的保守性验证

综上，该研究首次将液泡铁转运蛋白鉴定为跨真菌物种的三唑类杀菌剂抗性的关键驱动因素，从而揭示了一种由铁解毒介导且独立于传统靶标Cyp51的杀菌剂抗性机制。这一发现为制定延缓抗性群体演化的抗性管理策略，以及开发针对条锈菌及其他真菌病原体的靶向杀菌剂提供了理论依据。

西北农林科技大学植物保护学院博士后纪凡、博士后杜友伟及硕士研究生刘亚宁为该论文共同第一作者。西北农林科技大学詹刚明教授、康振生院士及郭军教授为论文共同通讯作者。研究过程中得到了西北农林科技大学江聪教授、苗建强教授、曾庆东教授、浙江大学马忠华教授的大力帮助，以及作物抗逆与高效生产全国重点实验室平台黄雪玲、赵华、周晓娜等几位老师的技术支持。本研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金以及陕西省博士后科研项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72157-6

小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn

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