Nature Commun.： 一种亲脂性阳离子靶向线粒体，抑制真菌发育的新机制

来源：BioArt植物

真菌性病害是影响植物健康和粮食安全的主要因素之一，而且目前的集约化单作种植模式为抗杀菌剂菌株的出现提供了理想的环境。值得注意的是，目前所使用的杀菌剂中，85%是针对单一酶的，因此病原真菌可以通过点突变提高抗药性；另一种方法是使用多作用点杀菌剂（multi-site fungicides），通常以多种方式干扰未知的真菌细胞过程，但是这种方式通常也伴随着对环境和人类的毒害。因此，开发新型的多作用点模式且环境友好型的杀菌剂迫在眉睫【1】。

研究表明，杀菌剂发挥功能的一个潜在目标是真菌的线粒体呼吸链，因为该呼吸链介导的电子传递与氧化磷酸化产生ATP的过程紧密相连。此外，线粒体的复合体I和III可以产生活性氧，一旦出现氧化还原失调就会破坏线粒体内膜的蛋白质和脂质，并触发细胞凋亡，这些可能是新型杀菌剂开发的关键【2】。

之前研究表明，呼吸链介导的电子转移可实现质子的跨线粒体膜运输（与质子泵有关），并且这会导致线粒体基质带负电荷，从而使其成为亲脂性阳离子的靶标。亲脂性阳离子在线粒体的集中可以抑制呼吸酶的活性，这为抗真菌剂的开发提供了新的思路【3】。事实上，单烷基亲脂性阳离子（mono-alkyl lipophilic cations，MALC，也被称为阳离子表面活性剂）被报道具有抗真菌活性。此外，亲脂性阳离子十二烷基胍盐（C12-G+）也被作为Syllit（一种用于控制苹果黑星病等果园病害的杀菌剂）的活性成分。研究表明，MALCs可以通过改变真菌质膜通透性或功能，或与真菌细胞壁相互作用而杀死真菌细胞。而早期在C12-G+中的研究则表明其可以进入真菌细胞并抑制关键代谢酶活性【4，5】。这表明MALCs 也存在影响质膜之外的其他方式控制真菌细胞活性，但是目前尚不清楚。

近日，英国University of Exeter的Gero Steinberg课题组在Nature Communications在线发表了一篇题为A lipophilic cation protects crops against fungal pathogens by multiple modes of action的研究论文，揭示了MALs影响植物病原体细胞活性的新机制。

该研究在Zymoseptoria tritici，Ustilago maydis和Magnaporthe oryzae中的研究均发现，MALCs中的C12-G+靶向真菌线粒体，并通过减少NADH氧化和使线粒体内膜去极化来强烈抑制氧化磷酸化过程产生ATP。通过对其他MALCs（尤其是C18-NMe3+和C18-SMe2 +）的研究也发现了同样的结果，表明MALCs对真菌的毒害模式更可能是对线粒体呼吸的抑制作用。

进一步研究发现，C12-G+和C18-NMe3+处理真菌细胞可以显著降低线粒体复合体I中的mROS产生，但是C18-SMe2+则可以诱导复合体I产生ROS，从而触发真菌凋亡，这种特异性是由于C 18-烷基链引起的。此外，该研究还发现，C18-SMe2+可有效保护谷类作物免受小麦黑斑病和稻瘟病的侵害，这与C18-SMe2+的多作用点模式有关：（i）在病原体中诱导mROS产生，（ii）诱导真菌细胞凋亡，（iii）激活植物防御系统。该研究还通过进一步的试验验证了C18-SMe2 +对植物、人类和大型蚤（Daphnia magna）细胞的低毒性，并且其没有诱变活性，因此，MALC具有作为有效且无毒的农作物杀菌剂的潜力。

Model of the effect of MALCs on fungal oxidative phosphorylation

总之，该研究表明MALCs主要通过抑制真菌线粒体的氧化磷酸化发挥杀菌作用，并与线粒体复合体I中的mROS产生以及植物免疫激活共同发挥抗真菌病害的作用。