小麦病原诱导型tau类谷胱甘肽转移酶对脱氧雪腐镰刀菌烯醇的解毒机制研究

为解决小麦中脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）污染问题，研究人员通过转录组分析鉴定出12个镰刀菌诱导的tau/phi类谷胱甘肽转移酶（GSTs），发现其中4个tau类GSTs能催化DON与谷胱甘肽（GSH）结合形成DON-10-GSH（迈克尔加成）和DON-13-GSH（环氧化物开环），并通过2.3 ?分辨率晶体结构揭示了活性位点结合机制，为作物抗病育种提供了新靶点。

　　

镰刀菌引起的小麦赤霉病不仅造成作物减产，还会产生剧毒真菌毒素脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）。这种毒素作为病原菌的"毒力武器"，通过稳定12,13-环氧化物结构抑制真核生物蛋白质合成，对人类健康和畜牧业构成严重威胁。虽然已知微生物能将DON还原为DOM-1实现永久解毒，但植物自身如何对抗这种毒素仍是未解之谜。

Turku Bioscience Centre（芬兰图尔库生物科学中心）的研究团队通过创新性研究揭开了这一谜题。他们发现小麦在应对镰刀菌感染时，会激活一类特殊的"解毒酶"——tau类谷胱甘肽转移酶（GSTs）。这些酶能像"分子剪刀"一样，精准剪断DON的毒性环氧化物结构，或者通过可逆的迈克尔加成反应中和其毒性。相关成果发表在《Journal of Biomechanics》上。

研究人员首先采用RNA-seq技术分析镰刀菌感染小麦的转录组，筛选出12个高表达的GST基因。通过异源表达和纯化这些蛋白，结合液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术，发现TaGST-02、06、10、12能催化DON与谷胱甘肽（GSH）结合。特别值得一提的是，他们成功解析了TaGST-10与DON-13-GSH复合物的2.3 ?分辨率晶体结构，首次揭示了植物GSTs结合DON的分子机制。

研究结果显示，这些tau类GSTs表现出独特的催化特性。TaGST-02和12能同时催化DON-10-GSH和DON-13-GSH形成，而TaGST-10则主要产生DON-13-GSH。通过比较TaGST-10与同源蛋白TaGSTU4的结构发现，活性位点Ser116通过与DON-C15-OH形成氢键，决定了DON的取向和反应特异性。突变实验证实，将Ser116变为缬氨酸会导致DON-13-GSH产量下降，说明这个残基在催化中起关键作用。

这项研究首次证实植物tau类GSTs具有DON解毒功能，为理解小麦抗镰刀菌机制提供了新视角。虽然这些酶的催化效率较低，但在植物与病原菌的长期博弈中，这种"多酶协同"的解毒策略可能具有重要意义。特别是DON-13-GSH的不可逆形成，代表了一种彻底的解毒途径。研究还暗示，不同结构类型的单端孢霉烯毒素可能通过逃逸迈克尔加成来增强毒性，这为设计新型抗病作物提供了理论依据。

从应用角度看，该研究发现的GSTs基因可作为分子标记用于抗病育种。同时，解析的蛋白结构为设计人工解毒酶提供了模板。这项成果不仅推进了植物-病原互作领域的基础认知，也为解决粮食安全和食品安全问题开辟了新思路。