综述：鹰嘴豆中尖孢镰刀菌萎蔫专化型感染的生物分子与计算洞察

《Discover Agriculture》：Biomolecular and computational insights into Fusarium oxysporum f. sp. ciceris infection in chickpea: a review

本综述系统阐述了由尖孢镰刀菌萎蔫专化型（Foc）引起的鹰嘴豆萎蔫病的病理机制与防治策略。文章聚焦于病原菌的侵染过程（如CAZymes的作用）、植物的多层次防御反应（包括PTI/ETI免疫系统及次生代谢物如酚酸、黄酮类的调控），并强调了组学（OMICS）与人工智能（AI）/机器学习（ML）技术在抗病育种和病害早期诊断中的应用前景，为制定可持续农业策略以保障粮食安全（SDG2）提供了重要见解。

　　

鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）是一种重要的豆类作物，但其生产受到由尖孢镰刀菌萎蔫专化型（Fusarium oxysporum f. sp. ciceris, Foc）引起的萎蔫病的严重威胁。这种土传真菌通过根部侵入宿主，定殖于维管组织，堵塞木质部导管，最终导致植株萎蔫死亡。

Foc的流行病学、地理分布与症状学

F. oxysporum 物种复合体（FOSC）包含许多专化型（formae speciales）。在Foc中，已鉴定出8个致病小种（0, 1A, 1B/C, 2-6）。这些小种在地理分布和引起的症状上存在差异，例如，小种0和1B/C主要引起黄化症状，而小种1A, 2, 3, 4, 5和6则引起典型的萎蔫症状。该病害在高温（25-30°C）、干燥的气候和特定土壤pH（5.0-8.0）条件下更为流行，对地中海地区、印度次大陆和加利福尼亚的鹰嘴豆生产造成严重损失。

次生代谢产物及其营养保健品价值

鹰嘴豆富含多种对人体健康有益的次生代谢产物。这些化合物不仅帮助植物抵抗胁迫，还具有重要的营养保健功能。例如，酚类化合物（如儿茶素、槲皮素）、黄酮类（如木犀草素、芹菜素）、异黄酮（如染料木素、大豆苷元）以及酚酸（如没食子酸、阿魏酸）等，具有抗氧化、抗炎、抗癌、改善心血管健康、调节血糖和促进肠道健康等多种生理活性。低血糖指数和抗性淀粉（如棉子糖、水苏糖）的存在使其对糖尿病患者有益。

宿主-病原体相互作用与防御应答机制

Foc的侵染成功取决于温度、pH值、土壤湿度和接种体密度等多种因素。病原菌通过产生角质酶、碳水化合物活性酶（CAZymes）、毒素（如镰刀菌酸）和效应蛋白等武器，破坏植物细胞壁并抑制宿主防御。

植物则通过多层次防御系统进行反击。病原体相关分子模式（PAMPs）被植物的模式识别受体（PRRs）识别，触发PTI。效应蛋白被细胞内NB-LRR受体识别，则激活效应因子触发的免疫（ETI）。这些免疫反应导致活性氧（ROS）爆发、钙离子流、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联反应激活，以及水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）等防御激素信号通路的上调，进而引发系统获得性抗性（SAR）和过敏反应（HR）。此外，植物还会通过细胞壁木质化和栓质化、形成肼胍质和树胶等物理屏障来限制病原菌扩展。

SGNH水解酶超家族等CAZymes在病原菌突破植物细胞壁过程中扮演关键角色。相反，植物也会产生多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（PGIPs）等蛋白质来抑制病原菌的酶活性。

遗传变异与分子标记辅助技术

鹰嘴豆对Foc的抗性通常由单基因或寡基因控制。分子标记技术，如随机扩增多态性DNA（RAPD）、简单序列重复（SSR）、序列特征化扩增区域（SCAR）标记等，已被广泛应用于鉴定抗病基因、分析病原菌遗传多样性以及进行标记辅助选择（MAS）。例如，抗Foc小种0的抗性基因被定位在连锁群（LG）5上，而抗小种1A, 2, 3, 4, 5的抗性基因则成簇分布在LG2上。

生物信息学及AI/ML在萎蔫病控制中的作用

组学技术（基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学）为理解宿主-病原体相互作用提供了海量数据。生物信息学分析有助于识别关键的抗病基因和通路。

人工智能（AI）和机器学习（ML）技术在病害早期诊断和预测方面展现出巨大潜力。例如，卷积神经网络（CNN）、长短期记忆网络（LSTM）等深度学习模型已被用于基于图像（可见光、热成像）的萎蔫病严重度自动识别和分类，准确率可达90%以上。这些技术有助于实现精准农业和病害的实时监测。

结论与展望

未来研究应综合运用现代生物技术（如CRISPR-Cas9、RNAi）、组学技术和AI/ML工具，加速培育抗病、气候智能型的鹰嘴豆品种。利用野生近缘种和地方品种的遗传多样性，结合可持续的农业实践（如生物防治、土壤健康管理），对于有效管理萎蔫病、保障鹰嘴豆生产的可持续性和全球粮食安全（SDG2）至关重要。