近日，廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所香蕉病害研究團隊在International Journal of Biological Macromolecules（IF 8.5, Q1）雜志在線發(fā)表了題為「The GPI-Anchored Protein FocGPI1 Plays a Crucial Role in Regulating Pathogenicity in the Banana Wilt Pathogen Fusarium oxysporum f. sp. cubense Tropical Race 4」的研究論文。

該研究發(fā)現(xiàn) GPI 錨定蛋白 FocGPI1 在香蕉枯萎病菌侵染過程中發(fā)揮重要作用，為香蕉枯萎病菌關(guān)鍵效應(yīng)蛋白。證實了 FocGPI1 是 Foc TR4 完全毒力所必需的一個關(guān)鍵效應(yīng)因子，其通過調(diào)控病菌生長發(fā)育和脅迫耐受性，并抑制宿主基礎(chǔ)免疫反應(yīng)，從而實現(xiàn)病原菌的成功侵染。

本研究為闡明 Foc TR4 的致病機制提供了新見解，并揭示 FocGPI1 可作為香蕉枯萎病抗病育種和防治藥物開發(fā)的新靶標(biāo)。

研究背景：

由尖孢鐮刀菌古巴�；蜔釒� 4 號生理小種（Foc TR4）引起的香蕉枯萎病，堪稱香蕉產(chǎn)業(yè)的「癌癥」。該病菌侵染香蕉根系后定殖維管束，導(dǎo)致植株枯萎死亡，已給全球香蕉貿(mào)易造成數(shù)十億美元的經(jīng)濟損失。然而，F(xiàn)oc TR4 的致病機制尚不完全清楚，嚴(yán)重制約了有效防控策略的制定。GPI 錨定蛋白是一類特殊的細(xì)胞表面蛋白，在維持真菌細(xì)胞壁完整性、介導(dǎo)寄主互作中具有重要功能，但在 Foc TR4 中的研究尚屬空白。

本研究通過比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)鑒定到一個 GPI 錨定蛋白基因，并對其生物學(xué)功能與分子機制進(jìn)行了系統(tǒng)解析。

研究結(jié)果：

1. FocGPI1 在植物病原菌中高度保守

GPI 錨定蛋白是真菌細(xì)胞表面的一類特殊蛋白，通常錨定在細(xì)胞膜或細(xì)胞壁上，維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。研究團隊在 Foc TR4 的基因組中，發(fā)現(xiàn)了一個編碼 GPI 錨定蛋白的基因，命名為 FocGPI1。生物信息學(xué)分析顯示，F(xiàn)ocGPI1 在多種植物病原真菌中高度保守，尤其在同屬鐮刀菌中親緣關(guān)系最近（圖 1A）。它含有一個信號肽（圖 1B），沒有跨膜結(jié)構(gòu)（圖 1C），并且具備 GPI 錨定修飾位點（圖 1D）。

圖 1. FocGPI1 的生物信息學(xué)分析

2. FocGPI1 含有功能性信號肽

為驗證 FocGPI1 是否真的能分泌，團隊將其信號肽序列轉(zhuǎn)入酵母分泌報告系統(tǒng)中。結(jié)果顯示，含有 FocGPI1 信號肽的酵母菌株能夠在以棉子糖為唯一碳源的培養(yǎng)基上生長，并且能將 TTC 還原為紅色的三苯甲臢（圖 2），證明其信號肽具有功能性分泌活性。

圖 2. FocGPI1 蛋白含有具有分泌功能的信號肽

3. 敲除驗證：FocGPI1 是 Foc TR4 完全毒力所必需的毒力因子

為了探究 FocGPI1 的真實作用，團隊利用同源重組技術(shù)，成功構(gòu)建了基因敲除突變體（ΔFocGPI1）、回補株（FocGPI1-C）和過表達(dá)株（FocGPI1-OE）（圖 3）。

在香蕉苗上進(jìn)行致病力測定，結(jié)果令人振奮：無論是感病的『桂蕉 6 號』（AAA）還是耐病的『金粉 1 號』（ABB），ΔFocGPI1 突變體的致病指數(shù)均顯著低于野生型和回補株（圖 4A，B），下降幅度分別達(dá) 34.72% 和 27.50%。而過表達(dá)株的致病力則略有增強。這明確表明，F(xiàn)ocGPI1 是 Foc TR4 的關(guān)鍵毒力因子。

圖 3. 野生型（WT）、FocGPI1 突變體（ΔFocGPI1）、回補（FocGPI1-C）及過表達(dá)（FocGPI1-OE）菌株的構(gòu)建與 PCR 驗證

圖 4. FocGPI1 基因的缺失降低了 Foc TR4 對香蕉的致病力

4. FocGPI1 基因參與調(diào)控 FocTR4 的生長發(fā)育和脅迫響應(yīng)

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ocGPI1 的缺失雖然不影響菌落形態(tài)，但顯著影響了真菌的生長發(fā)育和脅迫耐受能力。ΔFocGPI1 突變體的產(chǎn)孢量顯著下降，而菌絲干重卻異常增加（圖 5B，C）。說明 FocGPI1 促進(jìn)產(chǎn)孢，抑制營養(yǎng)生長，平衡真菌的繁殖與擴張。突變體對氧化脅迫（H2O2）和細(xì)胞壁干擾劑（SDS、剛果紅）的敏感性顯著增加（圖 5F，G，H），表明 FocGPI1 參與維持細(xì)胞壁完整性。在玻璃紙穿透試驗中，突變體無法穿透細(xì)胞膜，氣生菌絲和產(chǎn)孢都顯著減少，穿透能力顯著下降。突變體對纖維素、果膠和幾丁質(zhì)的利用能力也發(fā)生改變（圖 5I-K），暗示其降解植物細(xì)胞壁的能力受損。因此，推測 FocGPI1 通過影響 Foc TR4 的細(xì)胞壁完整性，從而影響病原菌的生長發(fā)育和脅迫應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而調(diào)控其致病力。

圖 5. FocGPI1 對 Foc TR4 生長的影響

5. FocGPI1 抑制寄主早期免疫反應(yīng)

轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在侵染 6 h 這個關(guān)鍵時間點，突變體處理組的香蕉根中，大量防御相關(guān)基因的表達(dá)發(fā)生了顯著變化，特別是過氧化物酶活性、過氧化氫分解等過程相關(guān)的基因（圖 6A-C）。加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析也顯示，突變體處理 6 小時特異激活了一個富含木質(zhì)素合成和苯丙烷代謝途徑的免疫相關(guān)模塊。

進(jìn)一步的實驗證實了這一現(xiàn)象：與野生型和回補株相比，ΔFocGPI1 突變體侵染的香蕉根部積累了更多的活性氧（H?O?）和胼胝質(zhì)（圖 6D，E），這些都是植物啟動免疫反應(yīng)的標(biāo)志。此外，在本氏煙中，F(xiàn)ocGPI1 還能抑制由 INF 引起的細(xì)胞死亡（附圖 4）。這表明，F(xiàn)ocGPI1 能夠主動抑制香蕉早期的免疫反應(yīng)，幫助病菌悄無聲息地入侵。以上結(jié)果表明，F(xiàn)ocGPI1 通過抑制寄主早期免疫反應(yīng)進(jìn)而促進(jìn) FocTR4 順利侵染。

圖 6. ΔFocGPI1 與野生型（WT）菌株的轉(zhuǎn)錄組分析及免疫應(yīng)答比較

6. FocGPI1 在植物細(xì)胞中具有核膜雙重定位特性

在本氏煙草葉片中的亞細(xì)胞定位試驗表明，無論是全長 FocGPI1 還是去掉信號肽，綠色熒光信號都同時出現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)膜和細(xì)胞核中（圖 7）。這意味著，F(xiàn)ocGPI1 是一個獨特的雙定位效應(yīng)蛋白 —— 它既能定位于質(zhì)膜，可能干擾膜上的信號傳導(dǎo)；又能進(jìn)入細(xì)胞核，直接調(diào)控宿主基因的轉(zhuǎn)錄。這提示該蛋白可能在多個細(xì)胞區(qū)域參與病原-寄主互作過程。

圖 7. FocGPI1 蛋白在本氏煙草葉片中的亞細(xì)胞定位

廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所付崗研究員和廣西民族大學(xué)劉紅全教授為論文共同通訊作者，助理研究員楊迪和碩士研究生熊蘭為論文共同第一作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、廣西自然科學(xué)基金等項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2026.151283

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