玉米黑粉菌(Ustilago maydis)在青贮发酵过程中调控碳水化合物代谢的贡献机制及其对饲料安全的影响

本研究针对玉米黑粉菌(Ustilago maydis)感染导致的玉米产量损失和营养劣化问题，通过多组学技术系统解析了该病原体在青贮发酵过程中对碳水化合物代谢的调控机制。研究人员发现U. maydis通过抑制Lentilactobacillus生长降低糖利用效率，显著提高水溶性碳水化合物(WSC)含量，同时揭示其通过激活EC 2.7.7.7酶促通路影响真菌DNA复制。研究为作物病害与青贮品质的互作关系提供了新见解，发表于《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》。

　　

玉米作为全球最重要的粮食作物之一，每年因玉米黑粉菌(Ustilago maydis)感染造成的损失高达数千万吨。这种被称为"玉米黑穗病"的病害不仅导致玉米减产，更会在感染部位形成肿瘤状瘿瘤，严重影响饲料营养价值。更令人担忧的是，已有研究表明受感染玉米的真菌毒素含量可达健康玉米的99倍，通过食物链威胁人畜健康。面对这一严峻挑战，传统解决方案是将染病玉米制成青贮饲料，但关于黑粉菌如何影响青贮发酵过程的分子机制始终是个未解之谜。

中国农业大学草地科学与技术学院的研究团队在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》发表的最新研究，首次揭示了U. maydis在青贮发酵中的双重作用机制。通过对甘肃(GSHF)和河北(HSHF)两地染病玉米进行6个月青贮实验，结合ITS测序和宏基因组分析，发现U. maydis会显著抑制Lentilactobacillus等乳酸菌的生长，降低糖类利用效率，导致水溶性碳水化合物(WSC)含量异常升高。更深入的分析表明，这种调控作用与U. maydis激活的EC 2.7.7.7(DNA聚合酶)通路密切相关。

研究采用了多项关键技术：1) 基于Pacbio Sequel Ile系统的ITS全长测序解析真菌群落结构；2) 使用Illumina NovaSeq 6000平台进行宏基因组测序；3) CAZy数据库注释碳水化合物活性酶；4) 两地染病玉米(GSHF和HSHF)与健康对照组的比较设计；5) 商用菌剂Yiqing No.3(含Lactobacillus plantarum和L. buchneri)的干预实验。

潜在危害分析
通过表型观察发现，河北染病玉米(HSHF)平均产生3-4个真菌穗，显著多于甘肃染病玉米(GSHF)的单个穗。毒素检测显示染病组玉米的玉米赤霉烯酮(ZEN)含量达健康组的5.02倍，且脯氨酸防御机制未激活。宏基因组分析揭示染病组中Ustilago相对丰度显著增加，且HSHF组特有富集镰刀菌(Fusarium)。

青贮质量的双重影响
6个月青贮后，染病组表现出矛盾特征：一方面乳酸(LA)含量提升、氨态氮(NH₃
-N%TN)降低，发酵质量改善；另一方面酵母菌数量激增导致有氧稳定性下降。值得注意的是，染病组WSC含量异常升高，这与U. maydis抑制Lentilactobacillus生长直接相关。

分子机制解析
CAZy酶谱分析显示，染病组中糖苷水解酶(GH)和糖基转移酶(GT)活性显著增强，占碳水化合物代谢酶的80%以上。通过构建微生物-酶互作网络，发现U. maydis与碳水化合物转运/代谢酶EC 3.2.1.86存在直接关联，并通过EC 2.7.7.7介导的DNA复制通路间接影响WSC积累。

菌剂干预效果
添加Yiqing No.3菌剂后，染病青贮的ZEN含量降低51.3%，有效缓解了有氧稳定性下降问题。宏基因组数据进一步证实，菌剂处理可重塑微生物群落结构，抑制U. maydis的有害影响。

这项研究首次在分子水平阐明了U. maydis通过干扰碳水化合物代谢影响青贮品质的机制，为开发针对性防控策略提供了理论依据。发现的EC 2.7.7.7调控通路不仅解释了WSC异常积累现象，更为理解植物病原真菌与发酵微生物群的互作开辟了新视角。实践层面，研究证实商用菌剂可有效缓解染病青贮的品质劣化，这对保障饲料安全和畜牧业可持续发展具有重要意义。未来研究可进一步聚焦Ustilagic acids(UAs)的代谢途径，探索其在改善青贮营养价值方面的潜在应用。