西北农林科技大学在小麦赤霉病生物防治研究方面取得新进展！
小麦赤霉病是我国小麦重要病害，不仅影响小麦产量，而且发病籽粒中携带的多种毒素严重影响小麦质量，引起人畜中毒，甚至死亡。目前小麦赤霉病的防治以化学药剂为主，但由于抗药性产生和防治最佳时期短，有效防控成为生产难题。
生物防治以其环境友好和防治机制复杂等特点获得广泛关注。生防大军中的链霉菌在土壤中广泛存在，是约55%临床使用的抗生素的来源，并且一些链霉菌还可以促进植物生长，提高植物抗逆性。然而目前商品化的生防制剂并不多，用于赤霉病的生防制剂更是鲜有报道，筛选更具潜力的生防菌显得极为必要(Newitt et al., 2019)。
近日，Environmental Microbiology在线发表了西北农林科技大学植物保护学院生防课题组的最新研究成果“Antagonistic action of Streptomyces pratensis S10 on Fusarium graminearum and its complete genome sequence”。该研究分离了一株极具防治小麦赤霉病潜力的链霉菌Streptomyces pratensis S10。链霉菌S10在离体至小区试验中均展现了对赤霉病发病和麦粒DON积累的良好抑制效果，它可以在小麦根部基本分生组织定殖且可促进小麦生长，全基因组序列分析发现S10有29个生物合成基因簇。
课题组从异常的番茄叶霉病发病部位分离了S10等24株候选生防菌，并作为潜在的重寄生菌进行研究。菌株S10在皿内对峙试验中展现出广谱抑菌活性，但S10对番茄叶霉病的防治效果欠佳，电镜也没有观察到菌落间明显的重寄生现象。根据S10与15种常见植物病原菌的皿内对峙结果，选择小麦赤霉病及其病原菌禾谷镰刀菌作为靶标进行抑菌和防效研究。结果显示，菌株S10对禾谷镰刀菌的皿内抑制率高达88%，共摇培可明显降低病原菌的菌丝干重和色素积累。禾谷镰刀菌单花接种离体、盆栽、田间麦穗试验结果表明，S10处理组的病害发展得到了有效的控制且接种麦粒DON含量大幅降低。DON合成相关基因在病原菌定殖和病害发育中必不可少的(Goswami and Kistler, 2005)，但是真菌菌体量与毒素积累量并无密切关联(Colombo et al., 2019)，所以仍有必要进一步探究菌株S10对真菌中DON合成相关基因的影响。荧光定量PCR的结果显示，S10处理组的病原菌，其DON合成相关基因Tri 4、Tri 5、Tri 6、Tri10、Tri101的表达受到显著抑制。
对菌株全基因组测序，得到了长为8,267,534 bp的线性染色体基因组和11,165 bp的质粒基因组。通过多基因系统发育分析和菌株培养特征、生理生化试验等鉴定菌株S10为Streptomyces pratensis。使用antiSMASH 5.0分析染色体基因组发现29个生物合成基因簇，其中8个基因簇的核心区与7种已知代谢产物的合成基因簇核心区相似度大于70%。这7种已知代谢产物中，热稳定抗菌因子HSAF（核心区相似度75%）的抗菌活性曾被报道(Yu et al., 2007; Li et al., 2018; Zhao etal., 2019)；四氢嘧啶（核心区相似度100%）增强植物抗逆性的能力曾被报道(Lippert and Galinski, 1992)。
基于代谢产物合成基因分析结果，课题组对S10发酵液活性成分进行进一步研究。发酵液耐高温、耐酸、耐蛋白酶K处理。通过多级萃取、薄层层析、捷克八溶剂系统等试验对主要活性成分进行分离、分析。首先，抗禾谷镰刀菌的主要活性物质位于胞内乙酸乙酯相；胞内乙酸乙酯相可以被氯仿:甲醇=8:2展开剂展开成5个点，5点中Rf为0.74的组分抗禾谷镰刀菌效果最好；将该组分收集，进行捷克八溶剂试验，其系统展开图符合分类Ⅶ的特点。菌株S10发酵液抗禾谷镰刀菌主要活性成分的特点与已知的HSAF并不完全吻合，推测可能S10的主要活性成分是一种未报道过的HSAF或新化合物，有着不同的生物合成途径和特征。
Figure 1. Circular genome map of S10. Thecircular map consists of seven circles, from the outside circle to the inward most. Circle 1 shows the whole genome of the strain S10; circle 2 shows the distribution of genes related to COG categories in the forward strand; circle 3 shows the distribution of genes related to COG categories in the backward strand; circle 4 shows CDS region including tRNA; circle 5 shows CDS region including rRNA; circle 6 shows the GC content and circle 7 shows the GC skew.
另一个高度相似的基因簇合成四氢嘧啶，四氢嘧啶可以在高温、低温、干旱条件下维护酶活性稳定——即增强植物抗逆性(Lippert and Galinski, 1992)。链霉菌属微生物也是植物根际微生物群落的主要成员，对植物健康生长有着积极影响(Vurukonda et al., 2018)。课题组继而探究S10作为菌肥的潜能，并建立了S10的遗传转移体系，对其进行EGFP标记。试验发现S10有促生效果，扫描共聚焦结果显示S10可以定殖在小麦根尖基本分生组织。
Figure 2. The colonization of S10 in the wheat root. By label S10 with EGFP, the colonization ability was detected by LSCM,the top photo set on top shows a full view of the root tip, and the other 3 sets are zoomed in on the root-tip meristem position to observe the fluorescent filaments.
上述试验结果展现了S10作为生防菌的优秀潜力，也留下一些有趣的线索有待继续研究。
实验室毕业硕士生张菁为本文第一作者，导师王阳研究员和化药学院汤江江老师为共同通讯作者。英国约翰英纳斯中心分子微生物学院Mervyn Bibb教授为本实验提供质粒pIJ8641；西北农林科技大学生命科学学院颜霞教授为本实验提供菌株E. coli ET12567。该研究得到国家重点研究发展计划（2017YFD0201106-20）资助。
论文链接：
https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15282
参考文献
Colombo,E.M., Kunova, A., Cortesi, P., Saracchi, M., and Pasquali, M. (2019) Critical assessment of Streptomyces spp. able to control toxigenic Fusaria in Cereals: A literature and patent review. International Journal of Molecular Sciences 20: 6119.
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Li, Y.,Wang, H., Liu, Y., Jiao, Y., Li, S., Shen, Y., and Du, L. (2018) Biosynthesis of the polycyclic system in the antifungal HSAF and analogues from Lysobacter enzymogenes. Angewandte Chemie 130: 6329-6333.
Lippert,K., and Galinski, E.A. (1992) Enzyme stabilization be ectoine-type compatible solutes: protection against heating, freezing and drying. Applied microbiology and biotechnology 37: 61-65.
Newitt,J.T., Prudence, S.M., Hutchings, M.I., and Worsley, S.F. (2019) Biocontrol of cereal crop diseases using streptomycetes. Pathogens8: 78.
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Yu, F.,Zaleta-Rivera, K., Zhu, X., Huffman, J., Millet, J.C., Harris, S.D. et al.(2007) Structure and biosynthesis of heat-stable antifungal factor (HSAF), abroad-spectrum antimycotic with a novel mode of action. Antimicrobial agents and chemotherapy 51: 64-72.
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