全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2009年第 1期
收稿日期：2008-07-07
基金项目：国际合作项目（2006DFA32850）
作者简介：张鹏（1971-），男，博士，主要从事小麦分子育种研究；E-mail：jszhangpeng@sina.com
通讯作者：马鸿翔，E-mail：Mahx@jaas.ac.cn
镰孢菌引起的小麦赤霉病菌是危害小麦的重
要病原，多年来在国内外频繁发生 [1~3]，小麦赤霉病
不仅导致小麦产量和品质降低，而且由于镰刀菌产
生的毒素污染了谷物籽粒进而危害人、畜健康。 已
经证实人类的一些疾病与食用受到单端孢霉烯类
毒素（单族毒素）污染的谷物有关 [4]。 由禾谷镰刀菌
（Fusarium graminearum）和黄色镰刀菌（Fusarium cul
morum）等赤霉病的主要致病菌产生的单端孢霉烯
（Trichothecenes） 族次生代谢物如二乙酰蔗草镰刀
菌烯醇 （Diacetoxyscirpenol，DAS）、乙酰基雪腐镰刀
菌烯醇 （AcNIV）、雪腐镰刀菌烯醇 （nivalenol，NIV）
和脱氧雪腐镰刀菌烯醇（Deoxynivalenol，DON）及其
乙酰化衍生物 3-AcDON 和 15-AcDON 等是污染小
麦籽粒的主要毒素。为了控制小麦赤霉病毒素的污
染，国外对镰孢菌毒素进行了大量的研究。 20 世纪
70 年代中期至 80 年代中期，我国对小麦赤霉病的
病原菌、真菌毒素及检测方法、动物毒性试验及卫
生标准进行了广泛研究 [1，3]，分离出脱氧雪腐镰刀
菌烯醇和玉米赤霉烯酮等多种真菌毒素，明确了禾
谷镰刀菌是我国小麦赤霉病的主要致病菌。近年来
国外在镰孢菌毒素的生物合成、毒素基因表达调控
方面，特别是 trichodiene 合成酶基因的研究取得了
重要进展，揭示了毒素合成途径中涉及的许多基因
及在单族毒素合成代谢途径中的作用，为进一步研
小麦赤霉病镰孢菌毒素的生物合成及其分子调控
张鹏 马鸿翔
（江苏省农业科学院生物技术研究所，南京 210014）
摘 要： 禾谷镰刀菌是小麦赤霉病的主要致病菌，其真菌次生代谢产生的单端孢霉烯类 B 型毒素，如雪腐镰刀菌
烯醇（nivalenol，NIV）、脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON）和其它乙酰化衍生物等污染小麦籽粒后对人畜健康构
成威胁。 综述了近年来国内外对小麦赤霉病镰孢菌单端孢霉烯类 B型毒素生物合成的主要途径及分子调控研究进展，对
毒素合成过程中的重要调控基因如 TRI5、TRI7和 TRI13在农业中的应用进行了阐述。
关键词： 小麦 镰孢菌 赤霉病 毒素 单端孢霉烯族生物合成
Biosynthesis and Regulation of Trichothecenes in
Fusarium Species
Zhang Peng Ma Hongxiang
（Institute of Biotechnology，Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，Nanjing 210014）
Abstract： Fusarium graminearum（Gibberella zeae）are the major causes of Fusarium Head Blight（Scab）of wheat.
F. graminearum produce type B trichothecene mycotoxins such as nivalenol （NIV），deoxynivalenol （DON） and several
acetylated derivatives of NIV and DON. These mycotoxins are frequently detected in cereal grain samples and present a
serious health threat to human and animal consumers. In this paper，the biosynthesis and regulation mechanisms of
trichothecenes were outlined and the significance of some regulator genes，such as TRI5，TRI7 and TRI13 were
discussed in relation to practical applications in agriculture.
Key words： Triticum aestivum Fusarium graminearum Fusarium blight head Mycotoxins Trichothecenes biosy-
nthesis
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 1期
究单族毒素的调控提供了基础。
1 镰刀菌毒素的类型及在赤霉病致病过程
中的作用
由于镰刀菌对人类的生产生活的影响极大，许
多科学家不断地对镰刀菌的致病性、毒素合成等多
方面进行研究 [5，6]。 禾谷镰刀菌不同菌株间产生毒
素的种类和能力有很大的差异， 但主要有两大类：
单端孢霉烯族毒素化合物 （Trichothecenes）和玉米
赤霉烯酮（Zearalenone，ZEN）。 此外，还有倍半萜类
化合物、丁烯酸内酯等次生代谢产物。 单端孢霉二
烯最初分离自粉红单端孢霉，并在其它镰孢菌中也
发现单端孢霉二烯。单端孢霉烯族化合物是一类化
学结构类似的倍半萜烯类化合物。根据毒素化学结
构不同， 将这类毒素简单地分为两个类型：A 类以
T-2 毒素和二乙酸蔗草镰刀菌烯醇（Diacetoxyscirpe
nol，DAS）为代表；B 类以脱氧雪腐镰刀菌烯醇（Deo
xynivalenol，DON）和雪腐镰刀菌烯醇（Nivalenol，NIV）
为代表，基本结构为四环的倍半萜，以 C8 位上的羰
基为特征 [7]（表 1，图 1）。Mitter[3]依据 DON 乙酰化的
位置不同，将 DON 化学型又分为 IA（3-ACDON）和
IB（15-ACDON），并揭示亚洲赤霉病菌主要产生 3-
ACDON，美洲小麦赤霉病主要产生 15-ACDON。 但
王裕中和 Mi1ler[3]认为化学型 IA 来自温暖麦区。 化
学类型 IB 来自冷凉地区；从英国分离到的 76 个产
生 DON 的禾谷镰刀菌株中，95%为 15-ACDON 化学
型，5%为 3-ACDON 化学型 [8]，这与 ODonnell 等 [9]对
禾谷镰刀菌的聚类分析结果一致，表明不同菌株产
生毒素化学类型的分布可能与生态型有关。
尽管镰孢菌毒素在镰刀菌致病过程中的作用
被广泛关注 [5，6，10]，但是 DON 等毒素在病穗组织中
的积累与赤霉病的发生程度之间分子机制尚不清
楚 。 俞刚等 [10]研究认为病菌致病力与穗颈组织中
DON 和 15-ADON 积累量以及单族毒素总量呈显著
正相关， 但与病穗组织中 DON 积累量相关性不显
著。 陈利锋 [6]研究认为，感病品种两者有较显著的
相关性，抗病及中抗品种相关性不显著 ，病害程度
与病穗组织中 15-ADON 或 3-ADON 积累量和穗颈
组织中的 3-ADON 积累量无相关性。Bai 等 [2]报道不
产生 DON 的禾谷镰刀菌突变体对病害初浸染没有
影响， 但却影响病原菌在麦穗中的扩展 ， 并认为
DON 在赤霉病的小穗中扩展具有重要作用， 而不
是病原菌初侵染所必须的。 敲除 TRI12 的菌株因不
能泵出毒素而致病力降低 [11]。 此外，研究发现，接种
禾谷镰刀菌后 0~48 h 病原菌侵染受到寄主抑制 ，
DON 有少量积累，48~96 h 病原菌迅速扩展， 同时
DON 积累量升高 [12]，这表明 DON 含量与小麦赤霉
病间具有正相关性。但采用杀菌剂等处理可以明显
减轻赤霉病危害程度，但小麦籽粒中毒素污染却并
没有降低 [13]，这却表明毒素与赤霉病发病程度的不
相关性由此小麦镰刀菌毒素在小麦致病过程中的
作用与机制仍需要进一步研究。
2 镰刀菌单端孢霉烯族毒素的生物合成途
径及相关酶
镰刀菌毒素检测发现，不同地区小麦禾谷镰刀
菌毒素的类型不同， 有些菌株只产生 DON， 没有
NIV， 而在其他地方污染的谷物中可以同时检测到
DON 和 NIV 毒素 [8]，这种差异显然与不同地区的镰
孢菌的种类以及单端孢霉烯族毒素生物合成代谢
途径有关。
1990 年，Cane 等 [14]系统地阐明了中间产物单端
孢霉二烯的合成步骤，已经证明镰孢菌 Fusarium 单
族毒素的生物合成起始于反式法呢基焦磷酸
（tFPP）。 在单端孢霉二烯合酶的催化下，tFPP 环化
形成单端孢霉二烯，它是开始合成单族毒素的第一
个前体物质，并经过一系列的加氧、异构化、环化和
酯化反应形成不同的较为复杂的单族毒素 ，如
DON，DAS 和 T-２ 毒素等 [15]，而且不同种的镰孢菌
具有相同的单族毒素合成途径 [16，17]（图 2）。
Toxin R1 R2 R3 R4
DON OH H OH OH
NIV OH OH OH OH
3-Ac-DON -- H OH OH
15-Ac-DON OH H OAc OH
FUS-X OH OAc OH OH

表 1 单端孢霉烯类 B 型毒素化学功能基团
图 1 单端孢霉烯类 B 型毒素化学功能基团
12
2009年第 1期
近年来随着镰孢菌单族毒素分子生物学研究
的深入，镰孢菌毒素及其衍生物形成过程中参与合
成和调控的部分基因逐步清楚，至少有 12~16 个基
因与镰孢菌单簇毒素的合成有关，不同镰孢菌单族
毒素合成基因簇间具有高度保守性。目前已经发现
编码 trichothecene 合成的 1 个基因簇 Tri5-cluster
（图 3），其中 12 个基因排列在一个长 25 kb 的 DNA
片段上 [18~21]。 参与单族毒素合成的部分基因的序列
及其功能也已经清楚 （表 2），包括编码 trichodiene
合成酶（TRI5）、P450 单加氧酶 （TRI4，TRI13）、15-O-
乙酰基转移酶（TRI3）、转录因子（TRI6、TRI10）、毒素
输送泵 （TRI12）、 酯酶 （TRI8）、4-O-乙酰基转移酶
（TRI7），还有几个未知功能的编码不同蛋白质的基因
（TRl9，TRI14），另外 4 个基因 （Tri101、Tri1、Tri15 和
Tri16）则不在该基因簇内[20，22~24]。
已知 TRI5 基因编码的是单端孢霉二烯合酶 ，
该酶催化合成初始反应 [22，25]。 TRI6 编码一个含有 217
个氨基酸的蛋白 [26]，该蛋白羧基端有 3 个锌指结构
区域，与 TRI5 启动子结合，主要功能是调节所有与
单簇毒素生物合成有关的基因 ， 是一个正调控因
子，但在缺少 TRI6 产物时存在可激活 TRI5 进行低
水平转录的其他因子 [22]。TRI4 编码的蛋白由 520 个
氨基酸组成， 该蛋白中含有所有细胞色素 P450 中
保守的氨基酸序列 ， 可能在毒素合成过程中具有


图 2 镰孢菌单端孢霉烯族毒素生物合成途径 [19]






图 3 禾谷镰刀菌 (a)和拟枝孢镰刀菌 (b)毒素合成
Tri5 基因簇 [19，20]
图中基因簇包含一些毒素合成的必需基因 ， 箭头代表转录方
向；拟枝孢镰刀菌 （F. sporotrichioides)中的 Tri7 基因在禾谷镰刀
菌中却没有；图 a 中 X 处表示禾谷镰刀菌中该处基因不编码功
能蛋白

     
TRI8 C-3 esterase Fs and Fg McCormick and Alexander

TRI7 C-4 acetyltransferase Fs Brown et al.
TRI3 C-15 acetyltransferase Fs and Fg McCormick et al. , Kimura et al.
TRI4 C-2 hydroxylase
(P450 mono-oxygenases)
Fs Hohn et al.
TRI6 transcription factor Fs and Fg Kimura et al.
TRI5 Trichodiene synthase Fs and Fg Hohn et al.
TRI10 Regulatory gene Fs Tag et al.

TRI9 Unknown Fs
TRI11 C-15 hydroxylase Fs Alexander et al. 
TRI12 Efflux pump Fs and Fg Alexander et al.;Wuchiyama et al.
TRI13 C-4 hydroxylase
(P450 mono-oxygenases)
Fs and Fg Brown et al. , Lee et al. 
TRI14 Unknown Fs Brown et al.

表 2 单端孢霉烯族核心基因簇基因及其功能
注：a Fs 代表拟枝孢镰刀菌 F. sporotrichioides； Fg 代表禾谷镰刀菌 F. graminearum.
b TRI 13 基因编码 NIV（F. graminearum 合式）；在 DON 合成中无作用
C-2、C-11、C-12，13 等多功能加氧作用。 TRI10 位于
基因簇中 TRI5 和 TRI9 之间 ， 其转录方向与 TRI5
一致。 TRI11 编码的是一种细胞色素 P450 单加氧
酶，它催化单端孢酶烯簇毒素合成过程中单端孢霉
二烯的第一次加氧反应 [21，22]。 TRI2 是编码毒素输出
泵蛋白的基因，因此该基因在毒素合成中具有重要
张鹏等：小麦赤霉病镰孢菌毒素的生物合成及其分子调控 13
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 1期
作用，并与病菌的致病力密切相关。 TRI3 编码一个
由 513 个氨基酸组成、分子量为 57.42 kD 的蛋白可
能编码 C15-O-乙酰基转移酶，它催化 15-脱乙酰基
丽赤壳菌毒素形成丽赤壳菌毒素的反应 [17，27]。
TRI101 编码 3-O-乙酰基转移酶催化形成 C-3-乙酰
化环，对细胞具有自我保护作用 [19]。
3 单端孢霉烯族毒素合成基因及分子调控
由镰孢菌单族毒素生物合成途径可以看出，如
果能够调控合成途径中的关键酶的表达，则可以起
到调控毒素积累的作用。 Proctor 等 [28]对单族毒素遗
传分析结果表明，禾谷镰刀菌的毒性来自单族毒素
产物，抗病植物可能通过抗单族毒素积累进而表现
对禾谷镰刀菌的抗性。 因此，许多研究者鉴定了毒
素抗性基因并进行了转基因研究。 此外，由镰孢菌
单族毒素生物合成途径可以看出，如果能够调控合
成途径中的关键酶的表达，则可以起到调控毒素积
累的作用。 既然已知 TRI5 基因编码单端孢霉二烯
合酶是毒素生物合成途径的第一步反应 ， 因此
TRI5 的表达直接影响毒素合成反应并影响毒素合
成量。 Desjardins 等 [23]认为使毒素生物合成酶基因
TRI5 失活有 2 种方法：基因逆转和突变。 只要稍微
改变合成酶的控制机制，就有可能降低禾谷镰刀菌
致病力 [29]。 试验证明，接种镰孢菌后 TRI5 基因表达
和病菌生物量具有相关性 [30]，TRI5 缺失时菌株产毒
能力很低， 同时其致病力也显著低于野生型菌株，
影响病菌在寄主中的扩展，但对病原菌侵染麦穗没
有影响 [2]；当 TRI5 缺失菌株回复突变后，则重新具
有与野生菌株同样的致病力 [15，24]。 这表明通过改变
TRI5 基因表达， 可改变禾谷镰刀菌的毒素类型及
含量 [31]。 TRI101（编码 3-O-乙酰基转移酶）也是研究
较多的基因。 Okubara 等 [18]在小麦中转入编码甲基
转移酶基因 TRI101，使得植株抗赤霉病性增强，赤
霉病发病程度明显降低。 TRI4 基因在毒素合成的 4
个步骤中均具有氧化作用 [32]，是用于筛选单族毒素
生物合成抑制因子的重要靶基因。 由于已知 TRI12
是毒素输出泵蛋白，敲除 TRI12 的转化子 MT12 表
现出致病力极弱 [11]。 此外，在利用外源因子或生物
技术调控毒素含量的研究中也取得了一定的进展。
Annis 等 [33]利用植物抽提物有效抑制毒素基因启动
子与 GUS 报告基因的表达， 说明利用植物抽提物
可达到控制毒素生物合成的目的。 Harris 等 [34]研究
了水稻改良 Rpl3 基因在转基因烟草对禾谷镰刀菌
产生毒素的抗性，结果表明，改良后的 Rpl3 基因的
转基因烟草对 DON 的抗性提高， 说明可以通过改
良植物对 DON 的抗性来提高植物的抗赤霉病性。
不同类型的毒素生物合成的基因簇比较表明，
参与毒素合成的基因大多数是相同的，但也有个别
差异（图 3）。 毒素形成的差异主要由参与代谢的途
径和基因的差异决定 ， 如编码 4-O-乙酰基转移酶
的基因 TRI7 和编码 P450 单加氧酶的 TRI13 在产
生毒素 DON 的禾谷镰刀菌（F. graminearum）中缺失
或没有功能，而且 TRI7 在产生 3-AcDON 的菌株中
也缺失。在拟枝孢镰刀菌（F. sporotrichioides）中 TRI7
（FsTRI7）是 T-2 毒素 C-4 上氧乙酰化所必需的，而
F.graminearum 中 TRI7（FgTRI7）不具此功能 [8]，这与
F.graminearum 中 DON 的形成不需 FgTRI7 的事实
是一致的，因为 C-4 上没有加氧。 另外，在 F.grami-
nearum 中 TRI13 可能具有 C-4-羟基化作用，并不编
码功能蛋白 [24]，目前认为 TRI3，TRI7 基因可能是导
致不同类型的菌株产生不同类型毒素的关键 [8]。 因
此， 以上两个基因被用于区分 DON 和 NIV 毒素化
学型及不同的镰孢菌。 而编码蛋白质的基因 TR19
和 TRI10，也由于基因结构的不同导致产生不同类
型的毒素生物 [35]。 由此看出，在镰孢菌单端孢霉烯
族素素生物合成基因簇中，任何基因功能的失活或
者改变都会影响毒素的形成 [16]。
建立对赤霉病有效控制的方法是解决毒素污
染的根本途径，而抗赤霉病小麦品种的选育是降低
镰刀菌毒素污染的最有效方法，但是目前受抗源数
量少、常规育种复杂缓慢等因素制约，理想的抗性
品种并不多。所以在控制小麦赤霉病研究中仍要考
虑其它方法，如加强田间管理、使用杀菌剂等。利用
转基因技术来降低小麦中赤霉毒素的含量也是有
效的方法，如利用转移蛋白转移毒素，防止其进入
植物细胞；或利用非产毒菌系通过竞争取代产毒菌
系，减少毒素合成酶的含量，使毒素合成减少或不
能合成。 此外，通过基因工程的方法将不同的基因
整合到植物中，减轻植物发病，达到防治病害的目
的，这将是未来研究发展的方向之一。
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2009年第 1期
4 展望
尽管镰孢菌单族毒素的生物合成的研究已经
取得了较快的进展， 但仍有许多问题有待研究，如
产毒菌株间的关系、毒素合成各基因间的相互关系
和各种毒素调控机理，降低小麦籽粒毒素积累的策
略等等。
此外，对当前我国小麦赤霉病菌和产毒类型的
变化也应加强研究。 2004 年 O′Donnell 等 [9]将引起
小麦赤霉病的禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）依
据分子生物学方法将其分为 9 个正式的种；Gagka-
eva 和 Yli-Mattila[40]对来自亚洲（中国）和欧洲（俄罗
斯、德国、芬兰）的禾谷镰刀菌进行遗传多样性研究
表明， 来自亚洲的菌株遗传多样性大于欧洲菌株，
并在欧洲谷物上发现了一个镰刀菌新种 Fusarium
langsethiae[41]。 我国田间镰孢菌属种以及产生这些毒
素的菌种（菌株）的变化的研究相对落后，今后应加
强对我国小麦赤霉病菌进行分子生物学分类研究
和毒素调控机制方面的研究。
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