禾谷镰孢菌是引起小麦赤霉病、玉米赤霉茎腐病等农作物危害的重要病原真菌。近年来，禾谷镰孢菌感染引起的赤霉病在世界范围内频繁爆发，造成严重的产量和经济损失，该病原菌还会产生大量真菌毒素污染粮食，给人畜健康构成严重威胁。由于禾谷镰孢菌侵染作物的毒力因子、分子致病机制尚不清楚，对于禾谷镰孢菌的防治手段十分有限，主要集中在化学防治，还没有完全有效的生物防治方法可供使用。深入研究禾谷镰孢菌侵染作物的分子致病机制，发现新的毒力因子，对开发新的赤霉病生物防治方法具有重要意义。
中国科学院上海有机化学研究所刘文团队和中科院分子植物科学卓越创新中心唐威华团队长期合作，对禾谷镰孢菌的毒力因子及其侵染机制展开了系统研究。他们通过转录组学、基因敲除、代谢分析等手段发现基因簇fg3_54产生的非核糖体八肽fusaoctaxin A是禾谷镰孢菌侵染小麦的重要毒力因子，该毒力因子通过影响宿主细胞间的渗透过程而促进禾谷镰孢菌对植物的侵染（Nat. Commun.2019, 10, 922）。近期，他们对基因簇fg3_54产生的代谢产物进行了深入分析，发现了一个新的毒力因子fusaoctaxin B，并通过详尽的体内和体外实验揭示了其生物合成特殊前体胍基乙酸（GAA）单元的全新生物合成途径（J. Am. Chem. Soc.2021）。
不同于已知的胍基乙酸形成途径——通过脒基转移酶催化甘氨酸和精氨酸之间的亲核取代，禾谷镰孢菌利用精氨酸为底物，通过多酶催化的串联反应对精氨酸进行修饰得到胍基乙酸。精氨酸在细胞色素P450蛋白Fgm1存在下对C4位惰性C-H键活化得到4(R)-羟基精氨酸；由PLP依赖的裂解酶Fgm3选择性地催化Cβ-Cγ键断裂得到胍基乙醛和丙氨酸；胍基乙醛不稳定，会自发环化，再经由脱氢氧化得到内酰胺中间体；在金属依赖的水解酶Fgm2作用下水解线性化得到胍基乙酸。胍基乙酸作为非天然氨基酸合成砌块，再被非核糖体合成酶NRPS9识别，通过顺序的NRPS模块化组装得到成熟的非核糖体八肽毒力因子fusaoctaxin B。
禾谷镰孢菌毒力因子fusaoctaxin B的发现，从分子层面加深了人们对禾谷镰孢菌侵染作物的认识，对开发赤霉病的生物防治方法、构建对禾谷镰孢菌全抗性的作物育种提供了重要依据。对毒力因子特殊结构单元的生物合成机制研究，揭示了全新的生物合成途径、新颖的酶学机制，为生物催化提供了多样化的酶学工具。
相关成果获得国家自然科学基金委、科学技术部、上海市科学技术委员会和中科院等相关项目的资助。
禾谷镰孢菌毒力因子fusaoctaxin B的生物合成途径
来源：中国科学院上海有机化学研究所
