基于深度学习的糖基转移酶预测模型揭示脱氧雪腐镰刀菌烯醇解毒新机制及其在小麦赤霉病防控中的应用

为解决小麦赤霉病菌（Fusarium graminearum）产生的脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）污染问题，研究人员开发了糖基转移酶（GTs）特异性预测模型EPP-GT，成功筛选出两种新型UDP-糖基转移酶（UGTs），可催化DON转化为低毒产物D3G。转基因小麦实验证实，表达这两种UGT能显著降低DON毒性并阻断病原菌扩散，为粮食安全与农业生物技术提供了创新解决方案。

　　

小麦是全球重要的粮食作物，但其生产长期受到赤霉病（Fusarium head blight, FHB）的威胁。这种由禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）引起的病害不仅造成减产，还会产生剧毒次级代谢产物——脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol, DON）。DON通过破坏核糖体和线粒体功能产生毒性，同时作为病原菌的毒力因子促进其在植物组织中的扩散。更严峻的是，气候变化正加剧真菌毒素污染，联合国粮农组织数据显示全球25%的农作物已受污染。传统防控手段效果有限，而酶解毒技术因其高效性和环境友好性成为研究热点，其中糖基转移酶（glycosyltransferases, GTs）能将DON转化为低毒的DON-3-O-葡萄糖苷（D3G）。然而，自然界中具有高效DON解毒活性的GTs极为稀缺，且实验筛选耗时费力。

为突破这一瓶颈，中国科学院上海营养与健康研究所的Ye Tian、Dachuan Zhang等团队在《Journal of Advanced Research》发表研究，开发了首个针对GTs的酶底物杂泛性预测模型EPP-GT。该研究整合了来自GTDB、Rhea和RxnFinder数据库的5,871个GTs与230种底物的22,883对相互作用数据，采用Transformer框架构建深度学习模型。通过多头注意力机制解析酶序列关键位点与底物的相互作用，EPP-GT在测试集中达到ROC-AUC 0.986的优异性能，显著优于传统方法FFExplorer（AUC 0.707）。

关键技术包括：1）基于加权随机采样的负样本生成策略；2）融合图神经网络（GNN）的底物特征提取与连续词袋模型（CBOW）的酶序列编码；3）跨物种UGTs功能验证体系（原核表达、转基因小麦构建）；4）基于基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）的DON空间成像技术。

研究结果部分：

1. 1.

   GT特异性预测模型的开发

   EPP-GT通过注意力权重可视化揭示酶活性中心关键残基，如来自枣树（Ziziphus jujuba）的UGT A0A6P4ASV5中，第134-158位氨基酸对DON结合至关重要。模型从70,000个未表征GTs中筛选出10个候选酶，其序列相似度仅30-70%，突破了传统同源搜索的局限。

2. 2.

   新型UGTs的实验验证

   体外实验证实，A0A6P4ASV5和来自野生稻（Oryza meyeriana）的A0A6G1BHK6能将DON转化为D3G，转化效率达阳性对照UGT79（Q7XT97）的90%。系统发育分析显示这两种UGT与已知DON解毒酶分属不同进化分支，属于全新功能类型。

3. 3.

   转基因小麦的抗病性能

   在20 μM DON胁迫下，表达新型UGT的小麦根系生长抑制率降低52%（P<0.0001）。幼苗接种试验中，病原菌侵染斑长度减少34-52%。单小花接种实验显示，转基因小麦穗部病小穗比例下降60%，且DON含量降低至对照的1/3。MALDI-TOF MS成像证实UGT表达可限制DON向健康籽粒扩散，非接种区域的DON信号强度仅为感染区域的15%。

该研究首次实现计算生物学驱动的新型解毒酶发现，突破了传统实验筛选的瓶颈。EPP-GT模型不仅为农业毒素防控提供新工具，其"序列-功能"预测框架可拓展至其他酶家族的功能注释。表达的UGTs通过双重机制发挥作用：直接解毒DON和间接削弱病原菌毒力，这为设计"抗病-减毒"协同的作物育种策略奠定基础。未来需进一步评估UGT过表达对小麦农艺性状的影响，并探索该模型在天然产物合成中的应用潜力。研究揭示的远端残基调控酶活性现象，也为蛋白质工程提供了新思路。