全 文 ：第25卷 第6期
2013年6月
Vol. 25, No. 6
Jun., 2013
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2013)06-0549-03
深思熟虑 步步为营
张晓伟
(中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，上海 200032)
收稿日期：2013-06-03
通信作者：E-mail: xwzhang02@sibs.ac.cn
∙ 发现的历程 ∙
真菌界作为四大界之一，与我们日常生活息息
相关，不仅包括可食用的菌菇、生产抗生素的青霉
菌和用于发酵的酵母，而且包括多种对人畜和植物
等有害的真菌。真菌的致病性呈现多样性，根据营
养类型可分为活体营养型真菌和腐生型真菌。所谓
活体营养即在有活性的植物细胞中生长并从中获得
营养，而腐生型即杀死植物细胞并在其中生长并获
取营养。了解真菌在宿主体内和体外生长周期的分
子基础，有利于更好地控制病害的发生。目前，人
们正在从分子水平研究一些致病真菌，其中包括能
导致小麦赤霉病和玉米赤霉茎腐病等多种农作物病
害的腐生型真菌禾谷镰孢菌 (Fusarium graminearum，
有性态又称玉蜀黍赤霉 Gibberella zeae)。
禾谷镰孢菌既能在宿主植物体内生长导致植物
发病，也可以在体外培养基上生长。全面比较宿主
体内和体外培养基上的禾谷镰孢菌转录组动态，有
可能增进我们对禾谷镰孢菌致病分子机制的理解，
将有助于小麦赤霉病等的抗病设计。本课题组采用
激光显微切割和芯片技术获得禾谷镰孢菌在宿主体
内的基因表达谱，并且与体外培养的孢子和菌丝的
表达谱进行比较，揭示了禾谷镰孢菌侵染的分子策
略随侵染进程而改变，包括分阶段提高植物细胞壁
降解酶类的分泌，先清除后释放活性氧，以及在后
期产生更多毒素类次生代谢产物等。本课题组还应
用基因敲除和致病力快速检测方法对提出的侵染策
略相关的多个禾谷镰孢菌基因的功能进行了验证 [1]。
1　研究思路——突破口
禾谷镰孢菌的基因组编码约 14 000个基因，
其中已有上百个基因被证明与其致病性相关，但禾
谷镰孢菌致病机制的全貌仍不清楚。禾谷镰孢菌基
因组测序的完成 [2]、全基因组芯片的出现 [3]以及基
因组的注释 [4-5]，为全基因组水平检测禾谷镰孢菌
编者按：禾谷镰孢菌是一种极具破坏性的植物病原真
菌，能够引起小麦、大麦、玉米和水稻等禾谷类作物的
穗腐、根腐、苗枯、茎腐和颈腐等病害，其中穗腐病的
危害遍及全球，被侵染的谷物中含有单端孢霉烯类毒
素，被人或牲畜误食会引起呕吐，甚至威胁生命。了解
禾谷镰孢菌在宿主体内的侵染过程和致病机理，将有助
于寻找到新的抗赤霉病的靶位点。最近，中国科学院上
海生命科学研究院植物生理生态研究所唐威华课题组对
禾谷镰孢菌在小麦胚芽鞘中的生长过程进行细致观察，
并运用激光显微切割和芯片杂交技术获得该真菌在宿主
体内不同时期的表达谱。通过与体外培养的真菌表达谱
的比较发现，禾谷镰孢菌在侵染进程中伴随着侵染策略
的变化，并对在宿主体内上调表达的几个真菌基因进行
了功能验证。这可能有利于寻找环境友好型的生物制剂来防治禾谷镰孢菌带来的病害，并对不同感染程度
的植物分别医治以期达到更好的效果。
生命科学 第25卷550
的基因表达提供了基础。
Seong等 [6]已经获得禾谷镰孢菌在培养基生长
的 4个阶段 (0、2、8和 24 h)的表达谱。其他研究
人员对禾谷镰孢菌在小麦穗部、大麦穗部和小麦颈
部中不同时期的表达谱进行了检测 [3,7-8]。但是由于
取材过程中大量植物材料的干扰，在早期检测到的
基因数目很少，例如在小麦穗部、颈部和大麦穗部
检测到的禾谷镰孢菌的基因数分别为 149、566和
807个，占全基因组的比例分别为 1%、4%和 5.8%。
而且在取材过程中，因未考虑到真菌的生长状态，
使其难以把由于真菌自身生长导致的与侵染导致的
基因变化区分开来。此外，由于各个时期基因芯片
检测深度的不同，难以对同一个或者同一类型基因
的表达变化进行定量分析。这些问题严重阻碍了从
全基因组方面对禾谷镰孢菌体内和体外生长过程进
行比较。
在植物 -真菌互作中引入激光显微切割技术，
获得在宿主体内的真菌，很大程度上提高了信噪
比 [9]，而且该技术在研究玉米炭疽病菌侵染玉米不
同时期的表达谱中得到了很好的应用 [10]。
禾谷镰孢菌最典型的宿主是小麦穗部，然而穗
部包括内桴、外稃、颖片、雌蕊和雄蕊，每个部位
的结构各不相同，导致真菌在侵染的同一时期的生
长状态各异，而且这种复杂性限制了激光显微切割
技术的应用。Wu等 [11]发现，禾谷镰孢菌在侵染小
麦穗部和胚芽鞘时有高度的一致性。胚芽鞘是单子
叶植物，特别是禾本科植物胚芽外的锥形套状物，
能够保护胚芽中幼嫩的叶和生长锥。小麦胚芽鞘是
禾谷镰孢菌的天然感染部位，能够引起小麦的苗枯
病，细胞多数呈细长型，细胞层数较少，便于进行
显微镜观察。因此，我们使用荧光蛋白 AmCyan标
记的禾谷镰孢菌侵染小麦胚芽鞘，并跟踪观察侵染
过程。禾谷镰孢菌在宿主体内的生长过程伴随着明
显的形态变化：感染 12 h，孢子萌发；16 h，菌丝
细小 (~4 μm)，顶端少有分支；40 h，菌丝变粗 (~6
μm)，顶端出现大量分支；64 h，菌丝呈现不规则状；
240 h，菌丝侵占小麦胚芽鞘，并有孢子产生。随后，
我们选择 16、40和 64 h作为侵染的代表性时期，
运用激光显微切割技术和芯片杂交，获得这三个时
期的全基因组表达谱。
2　表达谱——双刃剑
多时期的表达谱包含了巨量的信息，善用它们
能发现新的生物学问题，为实验提供指导，否则就
成了一滩“烂泥”，如何把数据分析好是成败的关键。
本课题组通过与体外生长的真菌表达谱进行比
较，发现编码胞外分泌蛋白和次生代谢物相关的基
因在体内显著上调表达。禾谷镰孢菌作为典型的腐
生型真菌，在侵染宿主的过程中会分泌植物细胞壁
降解酶、活性氧和毒素等多种物质来破坏植物细胞，
并从植物中吸取营养。细胞学的证据显示，植物细
胞壁降解酶在侵染宿主的过程中发挥着作用 [12]，
然而，这些基因在何时表达或者表达的高低如何呢。
为此，我们对禾谷镰孢菌中所有的基因按照功能进
行分类，但是编码某一类型蛋白的基因不止一个，
逐个分析难以总结规律。编码某一类型，如细胞壁
降解酶的基因在侵染过程中共同作用以达到破坏宿
主细胞壁的功能，本课题组提出新的数据分析方
法——把编码某一类型的基因表达值相叠加，总结
出整体规律，后对单个基因进行分析。根据这种方
法，本课题组发现编码对宿主有破坏作用的植物细
胞壁降解酶、毒素蛋白和活性氧产生相关的基因在
侵染后期有更高的表达。
然而，在小麦穗部的致病过程中扮演重要角色
的单端孢霉烯类型的毒素，在小麦胚芽鞘中几乎没
有表达，这是否预示着禾谷镰孢菌在侵染小麦胚芽
鞘过程中未分泌有毒性的次生代谢产物呢。丝状真
菌分泌某一种次生代谢产物所需要的基因在染色体
上串联排列，并具有共表达的趋势。根据这个特点，
本课题组对染色体上相邻位置基因的表达相关系数
进行分析，并幸运地发现包含编码非核糖体多肽合
成酶基因的 8个串联排列的基因 (命名为 FG3_54
基因簇 )具有极高的共表达趋势，在侵染后期特异
性高表达。随后，我们通过对 FG3_54基因簇中的
3个基因进行突变，检测到下降的致病力，预示着
FG3_54可能编码一种对小麦胚芽鞘有毒性的次生
代谢产物。
目前对腐生型真菌的理解一般是侵入并破坏植
物细胞从中获取营养，在整个过程中与宿主的互作
较少。那腐生型真菌又何来宿主特异性的。我们的
数据支持禾谷镰孢菌对宿主的杀伤力是循序渐进的
过程，并非一蹴而就，也即在整个侵染过程中存在
相互识别的过程。
3　提出假说——数据升华
依据实验数据提出假说是文章的灵魂或者说是
最亮点。禾谷镰孢菌体内的表达谱数据显示，编码
对植物有破坏作用的分泌物的基因在侵染后期有更
张晓伟：深思熟虑 步步为营第6期 551
高的表达水平，预示着禾谷镰孢菌侵染策略早晚期
有所区别。这种区别不同于以往的研究发现，那又
如何对其定位呢？ Laluk和Mengiste[13]对腐生型真
菌侵染策略的探讨给予我们指引，禾谷镰孢菌侵染
早期对宿主有破坏性的相关基因表达较弱，而后期
有强而有力的战斗力，使我们大胆提出禾谷镰孢菌
采取了侵染早期“隐蔽侵入”、后期“大肆破坏”
的策略。而这种假说与禾谷镰孢菌侵染早期并未有
病斑产生不谋而合。
4　问题再现——如虎添翼
前面我们总结出真菌的侵染策略，为何禾谷镰
孢菌不在侵染初期大肆破坏植物呢？对禾谷镰孢菌
的细胞学形态仔细分析，发现侵染早期菌丝较为细
小，是否与真菌获得营养相关呢？
带着这种疑问，我们对禾谷镰孢菌在宿主体内
侵染过程中的初级代谢相关的基因进行表达分析。
禾谷镰孢菌在侵染过程中，糖代谢相关的基因一直
处于较低的表达水平，说明真菌在宿主体内处于糖
源匮乏的状态。而进一步对糖异生、三羧酸循环、
乙醛酸循环和脂肪酸氧化相关的基因表达进行分
析，我们得出乙醛酸循环和脂肪酸氧化在侵染早期
为真菌提供能量的结论。
至此，本课题组总结了禾谷镰孢菌侵染小麦胚
芽鞘的分子策略，并对其中部分基因的功能进行验
证，但这些又如何作为防治禾谷镰孢菌导致病害的
靶位点需要更多更深入的研究。
致谢：这里我要感谢我的导师唐威华研究员，指导
我进入科研的道路，她对科研的热爱和乐观一直影
响着我，将使我受益终生。感谢张栋老师、贾雷杰、
张彦和江刚等合作者，大家共同努力使工作顺利完
成。
[参　考　文　献]
[1] Zhang XW, Jia LJ, Zhang Y, et al. In planta stage-specific
fungal gene profiling elucidates the molecular strategies of
Fusarium graminearum growing inside wheat coleoptiles.
Plant Cell, 2012, 24(12): 5159-76
[2] Cuomo CA, Guldener U, Xu JR, et al. The Fusarium
graminearum genome reveals a link between localized
polymorphism and pathogen specialization. Science, 2007,
317(5843): 1400-2
[3] Güldener U, Seong KY, Boddu J, et al. Development of a
Fusarium graminearum Affymetrix GeneChip for
profiling fungal gene expression in vitro and in planta.
Fungal Genet Biol, 2006, 43(5): 316-25
[4] Ma LJ, van der Does HC, Borkovich KA, et al .
Comparative genomics reveals mobile pathogenicity
chromosomes in Fusarium. Nature, 2010, 464(7287): 367-
73
[5] Wong, P, Walter M, Lee W, Mannhaupt G, et al. FGDB:
revisiting the genomeannotation of the plant pathogen
Fusarium graminearum. Nucleic Acids Res, 2010,
39(Database issue): D637-9
[6] Seong KY, Zhao X, Xu JR, et al. Conidial germination in
the filamentous fungus Fusarium graminearum. Fungal
Genet Biol, 2008, 45(4): 389-99
[7] Stephens AE, Gardiner DM, White RG, et al. Phases of
infection and gene expression of Fusarium graminearum
during crown rot disease of wheat. Mol Plant Microbe
Interact, 2008, 21(12): 1571-81
[8] Lysøe E, Seong KY, Kistler HC. The transcriptome of
Fusarium graminearum during the infection of wheat.
Mol Plant Microbe Interact, 2011, 24(9): 995-1000
[9] Tang WH, Zhang, Y, Duvick J. The application of laser
microdissection to profiling fungal pathogen gene
expression in planta. Methods Mol Biol, 2012, 835: 219-
36
[10] Tang W, Coughlan S, Crane E, et al. The application of
laser microdissection to in planta gene expression profiling
of the maize anthracnose stalk rot fungus Colletotrichum
graminicola. Mol Plant Microbe Interact, 2006, 19(11):
1240-50
[11] Wu AB, Li HP, Zhao CS, et al. Comparative pathogenicity
of Fusarium graminearum isolates from China revealed
by wheat coleoptile and floret inoculations. Mycopathologia,
2005, 160(1): 75-83
[12] Wanjiru WM, Kang ZS, Buchenauer H. Importance of cell
wall degrading enzymes produced by Fusarium graminearum
during infection of wheat heads. Eur J Plant Pathol, 2002,
108: 803-10
[13] Laluk K, Mengiste T. Necrotroph attacks on plants:
wanton destruction or covert extortion? Arabidopsis Book,
2010, 8: 1-34