全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (3): 201~216 201
收稿 2012-12-21　　修定 2013-01-22
资助 国家基础研究项目(2011CB100702)和中国科学院知识创
新项目(KSCX2-EW-N-06)。
* 通讯作者(E-mail: dzhang01@sibs.ac.cn; Tel: 021-54924075)。
镰孢菌属真菌次生代谢产物的研究进展
张晓伟1,2, 张栋1,*
1中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所植物分子遗传国家重点实验室, 上海200032; 2中国科学院大学, 北京
100049
摘要: 镰孢菌属包括禾谷镰孢、串珠镰孢和尖孢镰孢等主要的植物病原真菌, 能够产生多种次生代谢产物。依据结构和合
成途径, 次生代谢产物可以分为聚酮类(黄色镰刀菌素、伏马毒素和玉米赤霉烯酮等)、萜类(单端孢霉烯和类胡萝卜素等)
和非核糖体多肽类(铁载体等)三种主要的类型。其中, 萜类中的单端孢霉烯和聚酮类的伏马毒素对人畜的健康威胁最大。
本文对这些次生代谢产物的种类、作用、合成及其调节机制进行简单的概述。
关键词: 镰孢菌属真菌; 次生代谢产物; 聚酮类; 萜类; 非核糖体多肽类
Recent Advances of Secondary Metabolites in Genus Fusarium
ZHANG Xiao-Wei1,2, ZHANG Dong1,*
1National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, Shanghai Institute of Plant Physiology and Ecology, Chinese Academy of
Science, Shanghai 200032, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The genus Fusarium includes a number of important plant pathogens such as Fusarium graminear-
um, Fusarium moniliforme and Fusarium oxysporum, which are capable of producing many secondary metabo-
lites. According to structure and biosynthetic pathway, the secondary metabolites can be grouped into three
classes: polyketides including aurofusarin, fumonisin and zearalenone; terpenes including trichothecene and
carotenoid; nonribosomal peptides including siderophore. Among these, trichothecene and fumonisin are myco-
toxins that affect human, animal health. Here we review current understanding of the classification, function,
biosynthesis and regulation of the secondary metabolites produced by Fusarium fungi.
Key words: Fusarium; secondary metabolites; polyketides; terpenes; nonribosomal peptides
镰孢菌属是一大类广泛分布在土壤和植物体
内的丝状真菌, 其中包含了多种极具破坏性的植
物致病真菌, 包括禾谷镰孢(Fusarium graminear-
um)、串珠镰孢(F. moniliforme)、尖孢镰孢(F. ox-
ysporum)、拟枝孢镰孢(F. sporotrichioides)、木贼
镰孢(F. equiseti)、燕麦镰孢(F. avenaceum)等
(ODonnell等2004)。镰孢菌能够产生单端孢霉
烯、伏马毒素和玉米赤霉烯酮等真菌毒素(myco-
toxin)和其他类型的次生代谢产物(Kristensen等
2005; Desjardins和Proctor 2007)。其中, 真菌毒素
不但能够影响真菌对宿主的侵染, 而且对脊椎动
物具有毒害作用(Proctor等1995; Brown等2004; Al-
exander等2009)。
镰孢菌如禾谷镰孢、串珠镰孢和尖孢镰孢全
基因组序列的清晰化(Cuomo等2007; Ma等2010),
使得对其次生代谢产物的研究也进入了基因组时
代。多数次生代谢产物相关的合成及其调节基因
在染色体上串联排列, 形成基因簇, 包括编码萜类
合酶、聚酮合酶或非核糖体多肽合成酶的基因, 编
码转运蛋白、细胞色素P450、氧化还原酶、Zn2Cys6
转录因子和氧甲基转移酶的基因(Ma等2010)。了
解次生代谢产物的合成与调节机制, 有利于有效
地控制毒素在宿主体内的积累, 从而减少毒素对
人畜健康的损害。本文对镰孢菌属真菌次生代谢产
物的种类、作用、合成及其调节机制进行概述。
1 次生代谢产物的种类及合成过程
镰孢菌属真菌的次生代谢产物的合成底物、
合成过程、结构和生物学功能都具有多样性(Kris-
tensen等2005) (表1)。根据结构和合成途径, 分为
萜类、聚酮类和非核糖体多肽类。
特约综述 Invited Review
植物生理学报202
1.1 萜类(terpene)
萜类化合物由数个异戊二烯单位组成, 合成
前体是甲瓦龙酸途径产生的二甲基烯丙基焦磷酸
和异戊烯基焦磷酸, 在异戊烯基转移酶的催化下
形成牻牛儿基焦磷酸(geranyl diphosphate, GPP)、
法呢基焦磷酸(farnesyl diphosphate, FPP)和牻牛儿
基牻牛儿基焦磷酸(geranylgeranyl diphosphate,
GGPP)。以GPP、FPP和GGPP为底物, 分别形成单
萜、倍半萜和二萜类的次生代谢产物(Keller等
2005)。萜类合酶是萜类合成的关键酶, 其蛋白的
序列同源性很低, 但其三级结构十分相似, 有保守
的能够结合镁离子的DDXXD/E (X为任意氨基酸)
结构(Keller等2005)。
1.1.1 单端孢酶烯(trichothecene) 单端孢霉烯是60
多种倍半萜化合物的统称, 主要由镰孢菌属、漆
斑菌属和葡萄状穗霉属真菌产生(Bennett和Klich
2003)。根据在C-8上酮基的有无, 单端孢霉烯可分为
A类型和B类型, A类型有T-2毒素、HT-2毒素、蛇
形毒素和新茄镰孢菌醇等, B类型有脱氧雪腐镰刀
菌烯醇(deoxynivalenol, DON)、乙酰化DON、雪腐
镰刀菌烯醇(nivalenol, NIV)和镰刀菌烯酮-X等。
其中, DON可通过结合60S核糖体亚基而抑制蛋白
质的合成(Alexander等2009), 威胁着人畜的健康。
单端孢霉烯是含有3个环的倍半萜, 以FPP为
底物, 经过1次环化、8次加氧和4次酯化而形成(图
1)。合成的基因主要位于染色体上3个区段, 其中,
关键是以Tri5为中心的12个基因。Tri5编码萜类合
酶, 催化FPP环化形成单端孢霉烯前体(trichodie-
ne)。Tri5突变后, 单端孢霉烯的合成受阻, 而且真
菌的致病性显著下降, 病斑仅存在于感染处(Cu-
zick等2008)。此外, 还有催化C-2、C-3、C-11羟基
化和C-12/C-13环加氧的细胞色素P450单加氧酶
Tri4, 以及分别负责C-15和C-4位加氧的Tri11和
Tri13。Tri3和Tri8分别为O-15乙酰基转移酶和O-3
乙酰基转移酶, 协同Tri7, 负责乙酰基的转移。负
责C-8加氧和O-乙酰基转移的Tri1和Tri16, 定位于
Tri5不相邻的位置上。而位于第3个位置的Tri101
和Tri15分别编码C-3氧乙酰基转移酶和负调节单
端孢霉烯合成的转录因子。Tri12编码细胞膜上的
转运蛋白, 可能负责终产物的胞内到胞外的运输
(Menke等2012)。而Tri6是一个Zn2Cys6类型的广谱
调节因子, 不仅能够调节单端孢霉烯合成相关基
因的表达(Proctor等1995), 而且能够调节前体类异
戊二烯合成相关基因、看家基因和其他次生代谢
相关基因(铁载体等)的表达(Seong等2009; Nasmith
等2011)。
真菌产生的毒素类型是由基因簇中的基因决
定的。在产生NIV的镰孢菌中, Tri13编码的细胞色
素P450单加氧酶和Tri7编码的乙酰基转移酶, 能够
使C-4羟基化和乙酰化(Lee等2002)。而在产生
DON的镰孢菌中, 由于Tri13和Tri7编码区位点的
插入和缺失, 丧失了相应的活性(Brown等2002;
表1 部分镰孢菌属真菌产生的次生代谢产物的种类
Table 1 Secondary metabolites produced by Fusarium species (partial list)
菌株类型 次生代谢产物
萜类 聚酮类 非核糖体多肽类
禾谷镰孢(F. graminearum) 单端孢霉烯、类胡萝卜素 黄色镰刀菌素、玉米赤霉烯酮、 铁载体
镰孢菌素C
尖孢镰孢(F. oxysporum) 类胡萝卜素 串珠镰刀菌素 —
拟枝孢镰孢(F. sporotrichioides) 单端孢霉烯 玉米赤霉烯酮 恩镰孢菌素
串珠镰孢(F. moniliforme) 赤霉素、类胡萝卜素、 伏马毒素、镰孢菌素C、比卡菌素、 —
fusaproliferin 串珠镰刀菌素
层出镰孢(F. proliferatum) fusaproliferin 伏马毒素、串珠镰刀菌素 —
黄色镰孢(F. culmorum) 单端孢霉烯 黄色镰孢菌素、玉米赤霉烯酮 —
燕麦镰孢(F. avenaceum) — 黄色镰孢菌素、镰孢菌素C、 恩镰孢菌素
串珠镰刀菌素
木贼镰孢(F. equiseti) 单端孢霉烯 玉米赤霉烯酮、伊快菌素 —
半裸镰孢(F. semitectum) — 伊快菌素 —
异孢镰孢(F. heterosporum) — 伊快菌素 —
张晓伟等: 镰孢菌属真菌次生代谢产物的研究进展 203
Lee等2002)。在拟枝孢镰孢中, Tri1能够催化C-8
位置的羟基化, 但是缺少C-7位置羟基化的功能,
从而产生A类型的单端孢霉烯(Meek等2003)。而
在禾谷镰孢等菌中, Tri1能够同时催化C-7和C-8位
置的羟基化, 产生了B类型的单端孢霉烯DON和
NIV (McCormick等2004)。此外, Tri8基因的编码
区和上游序列的差异, 决定了3-乙酰化DON (3-
ADON)或者15-乙酰化DON (15-ADON)的产生
(Alexander等2011)。
1.1.2 赤霉素(gibberellin, GA) GA是一类二萜类
的化合物, 最先在串珠镰孢中发现。赤霉素合成
基因于1998年在串珠镰孢中发现(Tudzynski等
1998)。其中, CPS编码的柯巴基二磷酸合酶, 能催
化GGPP合成贝壳杉烯。CPS上游和下游的4个基
因(编码P450-1、P450-2、P450-4和GGPP合酶), 在
赤霉素合成条件下有明显的上调表达。这些基因与
编码GA4去饱和酶的DES和C-13羟化酶的P450-3
基因, 组成了20 kb的GA合成基因簇(Tudzynski和
Holter 1998; Tudzynski等2003)。
GA在植物中也广泛存在, 能够调节种子萌
发、伸长和开花等重要的生理过程。与植物中主
要的活性形式GA1不同, 真菌体内的形式一般为
GA3。在植物和真菌中, GA从GGPP到GA12醛的
合成过程是相同的。此后, 在串珠镰孢中, GA12醛
羟基化形成GA14醛, 然后加氧形成GA14, 再经氧
化形成第一个具有生物活性的GA4, 最后经去饱和
与C-13位的羟基化形成GA3 (图2)。在植物中,
GA12醛加氧形成GA12, GA12经C-13羟基化形成
GA53, 后C-20氧化形成GA20, 最终羟基化形成
GA1。在有些植物中, GA20首先脱氢形成GA5, 再
羟基化形成GA3 (图2) (Tudzynski 2005)。在植物
和真菌中, 对行使相同功能的细胞色素P450单加
氧酶的序列进行比对, 发现同源性很低; 而且与真
菌中形成基因簇不同, 植物如拟南芥中合成GA的
基因散落地分布在染色体上。这些结果说明, 植
物和真菌的GA合成是分别进化而来的(Hedden等
2001)。
GA的合成受高氮源如铵、谷氨酰胺、天门
冬酰胺和硝酸盐等的抑制(Munoz和Agosin 1993;
Tudzynski等1999)。串珠镰孢中氮利用相关基因
的负调节因子AreA突变后, GA合成会下降90%。
分子生物学的实验显示 , AreA能够直接调节除
图1 单端孢酶烯的合成过程及相对应的Tri蛋白(据Alexander等2009修改)
Fig.1 Proposed trichothecene biosynthetic pathway and responsible enzymes
植物生理学报204
P450-3以外的GA合成相关基因的表达(Mihlan等
2003)。
通过序列比对, 发现在许多真菌中都存在GA
合成的基因簇, 但不能产生GA, 推测与其合成相关
基因的编码和非编码区的突变有关(Tudzynski
2005)。
1.1.3 类胡萝卜素(carotenoid) 类胡萝卜素是由微
生物和植物产生的天然二萜类色素, 有700多种。
它具有抗癌和抗氧化的功能, 也能预防多种慢性
病的产生(Landrum和Bone 2001)。茄科植物例如
番茄中的番茄红素(lycopene), 即为类胡萝卜素的
一种, 它不仅具有抗癌抑癌的功效, 而且在预防心
图2 GA1和GA3的合成过程(据Hedden等2001修改)
Fig.2 Biosynthetic pathways to GA1 and GA3
黑色箭头表示植物中的合成过程, 灰色箭头表示在串珠镰孢中的合成过程。
张晓伟等: 镰孢菌属真菌次生代谢产物的研究进展 205
血管疾病、动脉硬化、增强人体免疫系统以及延
缓衰老都具有重要意义, 是一种很有发展前途的
新型功能性天然色素。
镰孢菌属中能产生类胡萝卜素的主要有串珠镰
孢、禾谷镰孢和尖孢镰孢(Prado等2004; Jin等2010;
Rodriguez-Ortiz等2012)。类胡萝卜素的合成是以
GGPP为前体, 经过八氢番茄红素合成酶合成八氢
番茄红素(phytoene), 经5次脱氢、1次末端环化形成
红酵母烯(torulene), 再经过氧化, 去除末端的5个碳
原子, 形成链孢霉黄素(neurosporaxanthin) (图3)。
在禾谷镰孢中, 有5个与类胡萝卜素合成相关
的基因(GzCarB、GzCarO、GzCarRA、GzCarT和
GzCarX), 它们有一致的表达模式。其中, GzCarRA
编码八氢番茄红素和番茄红素环化酶, GzCarB编
码八氢番茄红素脱氢酶, GzCarT编码红酵母素氧
化酶(Jin等2010), 催化类胡萝卜素的合成。然而,
在GzCarO (编码opsin-like蛋白)或GzCarX (编码类
胡萝卜素氧化酶)的突变体中, 类胡萝卜素的合成
没有变化。推测在禾谷镰孢中, 这两个基因对类
胡萝卜素的合成不起作用。
在粗糙脉孢霉(Neurospora crassa)中, 合成类
胡萝卜素的基因上游有受光调控的APE元件(Car-
attoli等1994)。在串珠镰孢中, CarRA、CarB和
CarO会受到光的诱导(Thewes等2005), 且具有相
同的表达趋势, 但是基因的上游并没有类似的光
调控元件。这说明, 在串珠镰孢中, 光对类胡萝卜
素的调控可能是间接的。除此之外, 在充足的碳
源或者较少氮源的情况下, 类胡萝卜素的合成也
会增加(Garbayo等2003)。
1.1.4 fusaproliferin (FUS) FUS主要由层出镰孢
(F. proliferatum)产生。FUS处理玉米后, 其叶绿素
的含量降低。此外, FUS能使腮足虫幼虫的数量降
低, 导致50%的幼虫死亡, 也能使鸡胚畸形(Jestoi
2008)。在真菌中, 有FUS和去乙酰化的FUS两种
形式, 后者的毒性明显小于前者。
FUS是一种双环的倍半萜类化合物, 含有5个
异戊二烯单位(图3)。C-3、C-7、C-11和C-15上的
4个甲基协同CH和CH2基团形成疏水区域。而在
另一边, 羟基、羧基和酯构成亲水区。这种双极
性赋予了FUS洗涤剂的特性(Santini等1996), 从而
也增加了FUS抽提的难度, 因其较容易与样品的基
质结合。对于FUS合成及其调节的分子机制, 目前
还没有深入的研究。
1.2 聚酮类(polyketide)
聚酮类化合物的种类最为丰富, 它以乙酰辅
酶A、丙二酰辅酶A或其衍生物为底物, 经聚酮合
酶(PKS)催化而成。PKS主要包含酮脂酰辅酶A合
酶(KS)、酰基转移酶(AT)和酰基载体(ACP)功能结
构域(图4) (Khosla等1999; Keller等2005)。除此之
外, 有些还包含脱氢酶(DH)、甲基转移酶(MT)、
烯酰水合酶(ER)、酮还原酶(KR)、环化酶(CYC)
和硫酯酶(TE)等修饰产物的结构域(图4)。底物经
由AT结构域, 与ACP结构域的硫形成硫酯键, 然后
与结合在KS结构域的硫酯缩合(图4)。这个过程不
断重复, 形成终产物。该过程重复的次数和产物
的修饰造就了聚酮类化合物的多样性(Keller等
2005)。
1.2.1 黄色镰刀菌素(aurofusarin) 黄色镰刀菌素
是一种沉淀在细胞壁的红色色素(Malz等2005), 属
于芳香族萘醌类的聚酮二聚体, 在1937年由Ashley
图3 类胡萝卜素和FUS的化学结构(据Jin等2010和Jestoi 2008修改)
Fig.3 Structures of carotenoid and FUS
植物生理学报206
等在黄色镰孢中发现(Ashley等1937)。后来发现,
禾谷镰孢和燕麦镰孢也能产生该色素。黄色镰刀
菌素在感染的种子中富集, 使家畜产生疾病(Dvor-
ska等2002)。
黄色镰刀菌素的合成在禾谷镰孢中研究的比
较清楚, 基因位于染色体上约30 kb的区段内(Malz
等2005), 包含从FGSG_02320到FGSG_02330 的11
个基因 , 编码漆酶(GIP1和AurL2)、聚酮合酶
( P K S 1 2 )、单加氧酶 ( A u r F )、氧甲基转移酶
(AurJ)、氧化还原酶(AurO)、转运蛋白(AurT)、脱
氢酶(AurZ和AurS) (Frandsen等2011)和两个转录
因子(AurR1和AurR2) (Malz等2005; Frandsen等
2006) (图5)。
黄色镰刀菌素不似DON等毒素, 以终产物的
形式转运至胞外, 而是将中间产物红镰霉素通过
AurT转运到细胞外, 由细胞外的GIP1-AurF-AurO-
AurS酶复合体催化形成(图5) (Frandsen等2011)。
在禾谷镰孢中, 黄色镰刀菌素缺失突变体(如PKS12
缺失)对小麦穗部(Malz等2005)和胚芽鞘的致病力,
与野生型相比没有差异(Zhang等2012); 而在培养
基上, 生长速度加快, 孢子的产生增加。黄色镰刀
菌素可能对细菌、真菌和动植物细胞的培养具有
毒害作用(Medentsev和Akimenko 1998)。
1.2.2 伏马毒素(fumonisin) 伏马毒素, 又称烟曲霉
毒素, 早在1988年Gelderblom等人在串珠镰孢中发现
(Gelderblom等1988), 玉米致病菌层出镰孢也能产
生(Proctor等2004)。伏马毒素可以引起动物发生
癌变, 严重的可以产生如马脑白质软化症、猪肺水
肿或大鼠肝癌等病症。该毒素有A、B、C和P四
种类型, 其中, B类型FB1在宿主中的含量最多, 达
到伏马毒素总含量的70%~80% (Rheeder等2002)。
遗传连锁的分析方法显示, 合成伏马毒素的
基因形成包含17个基因的基因簇(图6), 其中, 15个
图4 真菌聚酮类合酶的结构和催化的反应(据Keller等2005和Evans等2011修改)
Fig.4 Fungal polyketide synthase (PKS) domain structure and reactions of the domains for polyketide synthesis
图5 黄色镰刀菌素合成基因簇和合成过程
(据Frandsen等2006, 2011修改)
Fig.5 Aurofusarin gene cluster and biosynthetic pathway
张晓伟等: 镰孢菌属真菌次生代谢产物的研究进展 207
基因被证实具有相同的表达趋势(Proctor等2003;
Brown等2004)。伏马毒素合成, 首先是FUM1 (聚
酮合酶)催化9个醋酸基团和2个甲基形成18个碳原
子的骨架(Proctor等1999), 后在FUM8氧氨合酶的
作用下与一个丙氨酸缩合, 形成在C-2有一氨基、
C-3有一羰基、C-12和C-16各一甲基的20个碳原
子的聚酮氨基酸的缩合物。该物质再经FUM6在
C-14和C-15羟基化, FUM13和FUM2的羟基化,
FUM10和FUM14酯化以及FUM3的羟基化而形成
终产物(图6) (Alexander等2009)。
FUM21是Zn2Cys6类型的转录因子, 该基因的
突变直接导致伏马毒素合成的丧失。实验表明,
FUM21能够结合其他基因的启动子而调节其表
达。FUM19作为ABC转运蛋白, 推测在伏马毒素
由细胞内转运到胞外的过程中起作用。然而, 在
FUM19突变体中, 伏马毒素的含量没有发生变化
(Proctor等2003)。这表明, 有未知的基因编码的蛋
白在伏马毒素转运中起作用。此外, 比较有趣的
是, FUM11蛋白定位于线粒体内膜, 负责三羧酸循
环的中间产物由线粒体到细胞质的运输, 而该中
间产物正好形成了伏马毒素的侧链(Butchko等
2006)。这说明真菌中初级代谢和次生代谢的密不
可分。
1.2.3 玉米赤霉烯酮(zearalenone, ZEA) ZEA可由
多种镰孢菌产生, 如: 禾谷镰孢、黄色镰孢和拟枝
孢镰孢等, 广泛存在于被感染的宿主体内。这类
真菌毒素在实验室条件下, 能使猪等动物产生类
似雌激素紊乱的症状(Desjardins和Proctor 2007)。
ZEA由9个醋酸基团首尾缩合而成(图7-A)。
在禾谷镰孢中, ZEA的合成基因位于染色体上25
kb的区域内, 包含PKS4和PKS13两个聚酮合酶基
因, 编码Zn2Cys6结构转录因子的ZEB2和编码异戊
图6 B1型伏马毒素的基因簇和合成过程(据Alexander等2009修改)
Fig.6 Fumonisin B1 gene cluster and biosynthetic pathway
植物生理学报208
醇氧化酶的ZEB1 (Kim等2005; Gaffoor和Trail
2006; Lysøe等2006)。而负责ZEA从胞内到胞外转
运的蛋白是位于基因簇之外的ZRA1编码的ABC转
运蛋白(Lee等2011)。ZRA1与基因簇中的4个基因
有相似的表达趋势, 且受到ZEB2的调控。
1.2.4 镰孢菌素C (fusarin C) 镰孢菌素C主要是由
禾谷镰孢和串珠镰孢产生。Song等(2004)通过探
针杂交的方法, 在禾谷镰孢中找到负责镰孢菌素C
合成的26 kb区域, 包括两个未知功能基因Orf1和
Orf4、编码水解酶的基因Orf2、编码单羧酸转运
蛋白的基因Orf5和编码ABC转运蛋白的Orf6, 以及
合成的关键基因FusA, 该基因编码一个3 951个氨
基酸的镰孢菌素合酶, 它包含聚酮合酶和非核糖
体多肽合成酶(NRPS)的功能结构域, 是第一个在
丝状真菌中发现的PKS-NRPS杂合酶。在禾谷镰孢
和串珠镰孢的fusA突变体中, 镰孢菌素的合成完全
丧失。
镰孢菌素C是甲基化带有多聚不饱和侧链的
2-吡咯烷酮, C-13和C-14有几个氧环(图7-C)。已有
的实验结果显示, 镰孢菌素是由14个碳的聚酮和
三羧酸循环中的四碳中间产物缩合而成(Hoffmeis-
ter和Keller 2007)。
1.2.5 比卡菌素(bikaverin) 比卡菌素是一种深红
色的色素, 于1949年第1次发现。它与ZEA相同, 也
属于芳香族的聚酮类化合物, 由9个醋酸基团经折
叠和交叉连接形成骨架(图7-D)。通过比较串珠镰
孢在丰富培养基和氮源缺乏培养基上的表达差异
基因, 获得了在氮源缺乏条件下高表达基因Pks4,
该基因编码的蛋白含有典型的聚酮合酶的结构。
pks4突变体不能产生比卡菌素(Linnemannstons等
2002)。与Pks4 (现改名为Bik1)相邻的5个基因参
与比卡菌素的合成, 分别编码FAD依赖的单加氧酶
(Bik2)、氧甲基转移酶(Bik3)、NmrA类似的转录
因子(Bik4)、Zn2Cys6类型的转录因子(Bik5)和
MFS类的转运蛋白(Bik6) (Wiemann等2009)。
比卡菌素的合成主要受到4个方面的影响: AreA
图7 玉米赤霉烯酮、串珠镰刀菌素、镰孢菌素C、比卡菌素和伊快霉素的化学结构式
Fig.7 Chemical structures of zearalenone, moniliformin, fusarin C, bikaverin and equisetin
张晓伟等: 镰孢菌属真菌次生代谢产物的研究进展 209
的正调节、PacC的抑制、时间的调节和内部基因
的相互调节, 例如, 在任何一个合成相关基因的突
变体中, 其他基因的表达均有明显的下降(Wie-
mann等2009)。除此之外, Rodriguez-Ortiz等(2010)
发现, 在氮源缺乏、丰富的蔗糖或者少盐的条件
下, 比卡菌素的合成明显增加。
1.2.6 伊快霉素(equisetin) 伊快霉素是由木贼镰
孢和半裸镰孢产生的一种次生代谢产物, 能在体
外实验中抑制艾滋病毒HIV-1整合酶的活性, 而对
实验动物小鼠只有中等毒性, 从而对艾滋病毒导
致的人体免疫缺陷的病症具有一定的治疗作用
(Singh等1998; Desjardins和Proctor 2007)。伊快霉
素由聚酮的衍生物萘烷和氨基酸衍生的杂环四胺
酸组成(图7-E), Sims等(2005)在异孢镰孢中发现合
成伊快霉素的关键基因EQIS, 其编码蛋白与镰刀
菌素合酶一样, 也是PKS-NRPS杂合酶。分析EQIS
的旁邻基因, 发现有的编码调节因子, 有的编码具
有氧化功能的蛋白, 暗示这些基因可能参与了伊
快霉素的合成。
1.2.7 串珠镰刀菌素(moniliformin, MON) MON
是在1973年由Cole等人在串珠镰孢中发现的, 后来
发现许多镰孢菌属的真菌均能产生(Fotso等2002)。
MON的结构比较简单(图7-B), 具有极强的极性,
能溶于水, 在酸性条件下最为稳定, 广泛存在于各
种被感染的玉米和小麦等农作物中, 能够阻止丙
酮酸进入三羧酸循环, 最终使人体产生血淋巴活
力降低, 肌无力, 呼吸困难, 心肌增生, 肺和肾脏组
织的病变, 严重危害人畜健康(Jestoi 2008)。对于
MON的合成的分子机制还不清楚。
1.3 非核糖体多肽类(non-ribosomal peptides)
广谱抗生素盘尼西林(Smith等1990)、玉米穗
腐病菌和炭色旋孢腔菌产生的HC-toxin (Walton
2006)、小麦枯萎病的致病真菌链格孢产生的AM-
toxin (Johnson等2000)都属于非核糖体多肽类, 由
非核糖体多肽合成酶(NRPS)催化产生。NRPS一
般包括数个催化模块和位于C端的硫酯形成结构
域(TE), 每个催化模块包括: 腺苷酰化结构域(A)、
肽基转运蛋白(P)和多肽缩合结构域(C)。底物氨
基酸经由A结构域的特异性识别并腺苷酰化, 以硫
酯键的形式结合到P结构域。随后, 结合在NRPS
不同P结构域的氨基酸缩合形成多肽, 在TE结构域
的作用下, 从NRPS上释放出来(图8) (Keller等2005;
Hoffmeister和Keller 2007)。所得多肽或经甲基
化、差向异构化或者环化, 形成最终的非核糖体
多肽类化合物。镰孢菌属真菌产生的主要有铁载
体、恩镰孢菌素和白僵菌素(图9)。
1.3.1 铁载体(siderophore) 铁载体是微生物分泌
到细胞外的小的多肽(图9-A), 能够帮助其摄取胞
外的铁离子。非核糖体多肽合成酶(NRPS)和鸟氨
酸-N5-单加氧酶是合成铁载体最主要的两个酶。
构巢曲霉的铁载体合成相关的基因在染色体上成
簇存在(Yuan等2001; Eisendle等2004)。而在禾谷
镰孢中, NPS6 (Oide等2006)和SID1 (Greenshields等
2007)是负责铁载体合成的基因, 位于染色体上不
相邻的区域。任何一个基因的突变都会导致铁载
体缺失而无法摄取胞外的铁离子, 削弱禾谷镰孢
对宿主的致病力。如果外源施加柠檬酸铁, 突变
体的致病力得以恢复。此外, 突变体在氧化胁迫
条件下, 生长速度与野生型相比明显减慢。预示
着, 铁离子在真菌抵抗体外或者宿主体内氧化胁
迫的过程中起重要的作用。
铁载体在真菌中广泛存在, 例如在玉米小斑
病菌(Cochliobolus heterostrophus)、水稻胡麻斑病
菌(Cochliobolus miyabeanus)和芸薹生链格孢(Al-
ternaria brassicicola)中, NPS6的突变体与在禾谷镰
孢中相同, 表现出对宿主致病力的下降和对过氧
化物的敏感性(Oide等2006)。将粗糙脉孢菌同源
的NPS6基因转化玉米小斑病菌的突变体, 其致病
力得到恢复。这说明, 丝状子囊孢子的NPS6功能
十分保守。
1.3.2 恩镰孢菌素(enniatin)和白僵菌素(beauveri-
cin) 恩镰孢菌素和白僵菌素的合成过程和分子结
构都十分相似, 均是由核糖体合酶合成的环状六
缩酚酸肽。恩镰孢菌素是由含N-甲基侧链的L-氨
基酸(缬氨酸、亮氨酸或异亮氨酸)和D-2-羟基异
图8 非核糖体多肽合成酶结构域
Fig.8 Nonribosomal peptide synthetase domain structure
植物生理学报210
戊酸在恩镰孢菌素合成酶(Esyn)的作用下合成的
(图9-B)。白僵菌素与其不同, 苯甲基替代了恩镰
孢菌素中的脂肪基团(Hoffmeister和Keller 2007)
(图9-C)。Esyn包含C末端环化功能的非核糖体多
肽合成酶。在燕麦镰孢中, Esyn的突变体在马铃
薯块茎上的致病力明显降低, 说明恩镰孢菌素是对
植物有毒害作用的次生代谢产物(Herrmann等1996)。
2 次生代谢的调节
如前所述, 合成某种次生代谢产物的基因在
染色体上成簇存在, 这就赋予了遗传学操控的便
利, 也有利于寻找潜在的调控因子。真菌次生代
谢产物往往在特定的环境(如pH、碳源和氮源的
类型)和生活周期(如产孢和有性生殖时期)中产生
(Yu和Keller 2005)。因此, 了解其调节机制, 对于
理解真菌如何平衡次生代谢产物和生长发育或致
病的关系提供了理论基础。
2.1 转录调节
AflR是第一个被发现的通路特异转录因子, 能
够调控柄曲霉素和黄曲霉毒素的产生。在镰孢菌
中, AurR1是AflR的同源蛋白, 能够调节黄色镰刀菌
素的表达。此外, 另一个Zn2Cys6结构的转录因子
AurR2的突变, 对黄色镰刀菌素的合成没有影响
(Frandsen等2006)。这说明, AurR1在黄色镰刀菌素
合成调节中的主导作用。在伏马毒素合成的基因
簇中, FUM21编码Zn2Cys6类型的转录因子, 能够调
节基因簇中其它基因的表达(Proctor等2003)。与黄
色镰刀菌素和伏马毒素不同, 单端孢霉烯的合成有
两个调节因子: Tri6和Tri10, 其中的任何一个突变,
均会导致毒素合成的显著下降(Seong等2009)。Tri6
是Zn2Cys6类型的转录因子, 能够特异结合TNAG-
GCCT结构, 调节单端孢霉烯合成基因和其他看家
基因或致病相关基因的表达(Seong等2009)。
图9 铁载体、恩镰孢菌素和白僵菌素的化学结构式(据Oide等2006; Hoffmeister和Keller 2007修改)
Fig.9 Chemical structures of siderophore, enniatin and beauvericin
张晓伟等: 镰孢菌属真菌次生代谢产物的研究进展 211
除通路特异的转录因子外, 外界环境信号通
过影响Cys2His2锌指结构的转录因子的表达, 如碳
源的调节因子CreA (Dowzer和Kelly 1989)、氮源
的调节因子AreA (Hynes 1975)和pH的调节因子
Pac1 (Tilburn等1995), 从而精确的调节次生代谢产
物的合成与降解(Yu和Keller 2005)。如前所述, 高
氮源的环境能够抑制GA的合成, 在串珠镰孢中突
变氮源代谢的调节因子AreA, GA的合成显著性的
降低, 而且对铵不敏感(Mihlan等2003)。在禾谷镰
孢中, 低的pH能够诱导单端孢霉烯的合成(Gardin-
er等2009b), 而Pac1能够提高胞外pH值, 从而负调
节单端孢霉烯合成相关基因的表达, 降低毒素的
产生(Merhej等2010)。串珠镰孢中比卡菌素的合
成也受到CreA和Pac1的调节(Wiemann等2009)。此
外, 单端孢霉烯在不同氮源和碳源的条件下也有
不同程度的合成(Jiao等2008; Gardiner等2009a)。光
照和高碳源能够诱导类胡萝卜素的合成, 高氮源
则会抑制其产生(Garbayo等2003; Prado等2004)。
2.2 与生长发育相关的调节
在构巢曲霉中, velvet复合体(VelB/VeA/LaeA)
很好地解释了光、有性生殖和次生代谢的关系(图
10)。VeA在黑暗条件下表达, 能够负调节有性生
殖和次生代谢; VelB在有性生殖中表达; LaeA是一
个广谱的次生代谢的调节因子。VelB能够结合
VeA的N端, 而LaeA能够结合VeA的C端。在有光
的条件下, VeA/VelB复合体滞留在细胞质中, 阻碍
了有性生殖和次生代谢产物的产生; 在黑暗条件
下, VeA/VelB复合体进入细胞核, 与LaeA结合, 通
过调节组蛋白的甲基化而促进次生代谢产物的产
生, 调节真菌的有性生殖(图10)。此外, 染色质作
为真核生物中一切遗传物质的基础, 染色质结构
的改变直接控制着基因的开启和沉默。增加组蛋
白的乙酰化或者抑制组蛋白去乙酰化酶的活性,
都能使曲霉菌中黄曲霉毒素和柄曲霉毒素的合成
增加(Strauss和Reyes-Dominguez 2011)。这些说明,
染色质构象的变化直接影响次生代谢产物的产生
(图10)。
依据序列同源性比较, 在禾谷镰孢中找到了
与之相对应的蛋白, 分别为FgVeA、FgVelB和Fg-
LaeA。FgVeA和FgVelB能够调节DON毒素的合
图10 次生代谢的调节(据Bayram等2008; Strauss和Reyes-Dominguez 2011修改)
Fig.10 Regulation of secondary metabolism
植物生理学报212
成、无性生殖、脂类代谢和对宿主的致病性。Fg-
LaeA的突变会降低黄色镰刀菌素的产生。这预示
着, 在禾谷镰孢中, velvet复合体在调节生殖和次生
代谢产物方面也有相似的作用。然而, 体外酵母
双杂交的结果显示, FgVeA不能和FgVelB、Fg-
LaeA相互作用(Jiang等2011, 2012)。而且, 禾谷镰
孢中去乙酰化酶HDF1的突变, 会降低DON的合成
(Li等2011)。这些说明, 在不同物种中, 次生代谢
产物的调节具有差异性。
2.3 上游信号的调节
真菌能够快速响应外界信号的变化, 调节体
内次生代谢产物的产生。在这个过程中, G蛋白作
为真菌中较为保守的信号分子, 参与调控次生代
谢。以禾谷镰孢为例, G蛋白三聚体的α和β亚基,
能够负调节DON和ZEA的合成(Yu等2008)。而G
蛋白三聚体的调节因子RGS, 通过对G蛋白的调节
而影响着次生代谢产物的产生(Park等2012)。在G
蛋白下游的MAPK信号通路中, MAP1影响禾谷镰
孢的有性生殖和DON的合成 (Urban等2003) ;
HOG1能促进有性生殖, 抑制黄色镰刀菌素的合成
(Ochiai等2007)。这些都说明真菌中的信号传导是
个较为复杂的过程, 而如何调控或者影响着次生
代谢, 需要进一步的研究。
2.4 次生代谢产物之间的调节
除转录调节, 外界因子的调节和信号分子的
调节外, 次生代谢产物之间也会相互影响。类胡
萝卜素和GA均属于二萜类化合物, 其底物均是由
类异戊二烯合成途径产生的GGPP。实验数据显
示, 类胡萝卜素和GA的合成具有此消彼长的现象
(Candau等1991)。
3 结语
随着镰孢菌属真菌全基因组测序的不断完成,
预测次生代谢产物的基因簇就变得简单易行(Ma
等2010), 而次生代谢产物却很难确定。以禾谷镰
孢为例, 其基因组中共有15个PKS基因(Varga等
2005), 目前已知, PKS12是合成黄色镰刀菌素的关
键基因(Kim等2005; Malz等2005; Frandsen等2006);
PKS4和PKS13是合成玉米赤霉烯酮的关键基因
(Linnemannstons等2002; Lysøe等2006); PKS10在
合成镰孢菌素C中不可或缺; PKS3可以合成一种黑
紫色的子囊孢子色素; 而其余10个PKS基因的功能
未知。另外, 禾谷镰孢基因组中, 包含15个编码
NRPS的基因(Tobiasen等2007; Varga等2005), 其中
NPS6的产物铁载体负责胞外铁离子的摄取 (Oide
等2006), NPS2负责铁菌素(ferricrocin)的合成(To-
biasen等2007), NPS5和NPS9在小麦胚芽鞘的致病
过程中发挥作用(Zhang等2012)。而其他NRPS的
产物和功能仍不清楚。在次生代谢产物的基因簇
中, 编码氧化还原酶、甲基化酶、乙酰化酶、酯
酶和转运蛋白的基因, 并非是其合成所必需的。
因此, 单纯通过序列比对的方式, 很难得到满意的
答案。与此同时, 萜类合酶作为合成萜类的关键
酶, 在一级结构上存在较低的同源性, 这也给此类
次生代谢产物的研究带来了很大的困难。
基因预测的目的在于寻找新的次生代谢产物,
而在实验室条件下, 通常很难诱导次生代谢产物
的产生(Hertweck 2009; Brakhage和Schroeckh
2011)。而且, 真菌次生代谢产物具有组织和宿主
的特异性。比如, 在禾谷镰孢中, Tri5编码的蛋白
作为合成单端孢霉烯的关键酶, 直接指示着该产
物的产生, 使用Tri5启动子加荧光标记的禾谷镰孢
感染小麦穗部, 发现Tri5只在感染的花轴处表达(Il-
gen等2009)。除此之外, 在禾谷镰孢感染小麦胚芽
鞘的过程中, 单端孢霉烯合成相关的基因均未有
表达(Zhang等2012)。黄色镰孢的Tri6突变体中,
DON的合成降低, 在硬质小麦颈部的致病力明显
下降(Scherm等2011)。这些说明, DON在颈腐病
(crown rot)的发病过程中起到致病因子的作用。
Tri5的突变体, 在对小麦穗部的感染中因不能穿过
花轴而影响其致病性, 但其在大麦穗部和拟南芥
花的致病力并未受到影响(Maier等2006; Cuzick等
2008)。综上所述, 单端孢霉烯的合成及其作用具
有组织和宿主的特异性。而这些是否与植物组织
特定的结构或者防御相关, 有待进一步的研究。
次生代谢所需要的酶、能量和底物都是初级
代谢的产物, 正如前面提到的, 伏马毒素的侧链来
源于三羧酸循环的中间产物, 次生代谢和初级代
谢有着必然的联系。而体外氮源和碳源也直接影
响着次生代谢产物的产生。因此, 有种观点认为,
次生代谢是初级代谢废物的储存和清除机制, 而
在长期的进化过程中, 形成了对侵染或者自身生
长有益的次生代谢产物(Roze等2011)。然而, 初级
张晓伟等: 镰孢菌属真菌次生代谢产物的研究进展 213
代谢和次级代谢调控的分子机制仍不清楚。
目前, 对镰孢菌次生代谢产物的了解还十分
有限, 多个已知代谢物的合成过程还不甚清楚。
如何从整体调节次生代谢产物的产生, 使其服务
于人类, 仍然值得我们深入探讨。
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