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在生物防治领域，绿木霉（Trichoderma）的重要代谢物 6 - 戊基 -α- 吡喃酮（6-PP）生物合成途径不明。研究人员围绕此开展研究，发现 6-PP 经聚酮生物合成途径生成，pks1 基因至关重要。该成果为生物防治和 6-PP 应用提供理论依据。
在农业生产的大舞台上，生物防治就像一位默默守护庄稼的卫士，利用生物间的相互作用来控制病虫害，既环保又高效。绿木霉属真菌，便是这位卫士中的佼佼者。它不仅能通过寄生其他有害真菌，抑制它们的生长，还能分泌植物生长促进激素，助力农作物茁壮成长。而 6 - 戊基 -α- 吡喃酮（6-PP），作为绿木霉产生的一种重要次生代谢物（SMs），更是身兼数职。它具有强大的抗真菌特性，能有效抑制灰葡萄孢（Botrytis cinerea）、尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）等多种植物病原菌的生长；同时，还能促进植物生长，调整植物根系结构，增强植物对养分和水分的吸收能力。不仅如此，6-PP 还可能在生物间的信号传递中发挥关键作用。
然而，一直以来，6-PP 的生物合成途径却如同一个神秘的谜团，让科研人员困惑不已。早期的研究猜测，6-PP 可能是通过脂氧合酶（lipoxygenase）对亚油酸的 β- 氧化作用合成的，但后续实验发现，敲除绿木霉基因组中唯一编码脂氧合酶的基因 lox1，对 6-PP 的产生并没有影响，这使得 6-PP 的生物合成途径更加扑朔迷离。
为了揭开这个谜团，来自奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一系列深入研究，最终发现 6-PP 是通过聚酮生物合成途径产生的，并且鉴定出聚酮合酶（Pks1）是 6-PP 生物合成过程中的关键酶。这一发现意义重大，为深入理解绿木霉的生物防治机制奠定了基础，也为开发更高效的生物防治策略提供了新的思路。该研究成果发表在《Microbial Cell Factories》杂志上。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，通过生物信息学分析，利用 antiSMASH 等工具筛选绿木霉基因组中参与 SMs 生物合成的基因；其次，采用基因敲除技术，构建 pks1 基因缺失突变体，探究该基因在 6-PP 生物合成中的功能；然后，运用转录组分析技术，研究不同光照条件下基因的表达情况；最后，借助代谢组学分析手段，如高效薄层色谱（HPTLC）和液相色谱 - 高分辨率质谱（LC-HRMS），检测 6-PP 及其衍生物的产生情况。
研究结果如下：
- Pks1 及其生物合成基因簇的比较分析：研究人员通过系统发育分析发现，绿木霉 Pks1 与其他参与吡喃酮合成的聚酮合酶具有相似性，且 Pks1 属于高度还原型 I 型聚酮合酶（HR-Type I PKS）。进一步分析发现，pks1 基因是一个生物合成基因簇（BGC）的一部分，该基因簇在能够产生 6-PP 的绿木霉菌种中保守存在，而在不产生 6-PP 的菌种中缺失。
- 预测的 pks1 基因簇中基因的表达：通过转录组分析发现，pks1 基因在低光照条件下表达上调，且与另外 5 个基因共调控，这 6 个基因共同构成了 pks1 基因簇。其中，编码 C3H1 型锌指蛋白和裂解多糖单加氧酶（LPMO）的基因与 pks1 基因紧密相邻且共表达，暗示它们在 6-PP 生物合成或环境响应中可能发挥重要作用。
- pks1 基因的功能和表型特征：基因敲除实验表明，pks1 基因缺失突变体丧失了产生 6-PP 的能力，同时对灰葡萄孢和立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）的抑制活性显著降低，这表明 Pks1 衍生的代谢物对绿木霉的抗真菌活性具有重要贡献。此外，突变体与野生型在与植物病原菌的相互作用以及自身相互作用中表现出差异，暗示 Pks1 衍生的物质可能参与了自我信号传递和菌丝细胞融合过程。在与拟南芥（Arabidopsis thaliana）的互作实验中，pks1 基因缺失突变体反而促进了拟南芥侧根的形成，这一现象表明 6-PP 或其他 pks1 依赖的代谢物可能对植物生长具有复杂的调控作用。
- Δpks1 突变体的靶向代谢组学分析：通过 HPTLC 和 LC-HRMS 分析发现，pks1 基因缺失突变体中 6-PP 完全缺失，同时还检测到一些在野生型中存在而在突变体中缺失的 6-PP 衍生物，这些衍生物可能是由于 Pks1 酶在催化过程中对中间产物的不完全还原或后续修饰产生的。
研究结论和讨论部分指出，该研究明确了 6-PP 的聚酮生物合成途径以及关键基因 pks1，为深入理解绿木霉的生物防治机制提供了重要线索。pks1 基因缺失导致 6-PP 缺失，进而影响绿木霉对植物病原菌的抑制能力，这强调了 Pks1 衍生代谢物在生物防治策略中的重要性。此外，pks1 基因缺失突变体对拟南芥侧根形成的促进作用，揭示了真菌代谢物与植物响应之间更为复杂的相互作用关系。未来，对 pks1 基因簇中其他基因的功能研究，特别是编码调控蛋白的基因，如 C3H1 型锌指蛋白和 LPMO，将有助于进一步揭示 6-PP 生物合成的分子机制，为开发更高效的生物防治剂和应用 6-PP 作为生物农药提供坚实的理论基础。这不仅能够推动农业可持续发展，减少化学农药的使用，还能为生态环境保护做出重要贡献。
