2022年12月5日，北京大学现代农业研究院、潍坊现代农业山东省实验室邓兴旺团队、郭立团队联合湖南农业大学植物保护学院周倩教授，在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）在线发表了题为“Mycoviral gene integration converts a plant pathogenic fungus into a biocontrol agent”的研究论文，报道了在番茄匍柄霉叶斑病菌中发现的一种低毒真菌病毒SlAV1，该病毒靶向干扰宿主真菌毒素Altersolanol A的生物合成从而使匍柄霉丧失致病力，且整合SlAV1基因序列的匍柄霉从致病菌转变为生防菌，保护植物不被致病菌侵染。该研究成果的发表为作物真菌病害防治提供一个绿色高效新策略，具有重要的应用价值。

植物病害每年带来的直接经济损失高达数千亿美元，其中70%以上由真菌引起。匍柄霉属真菌 (Stemphylium spp.) 可引起多种园艺作物的叶斑病，导致产量损失和品质下降。近年来，由匍柄霉引起的番茄灰叶斑病在我国多地发生严重，给我国的番茄生产造成巨大损失。病原真菌可以合成毒素来杀死植物细胞，帮助其达到成功侵染和获取营养的目的。作者研究发现，番茄匍柄霉可合成一种聚酮类毒素Altersolanol A，是番茄灰叶斑病的重要致病因子。

俗话说，敌人的敌人就是朋友。低毒真菌病毒是一类天然存在的能够导致植物病原真菌弱毒力（hypovirulence）的病毒，具有生物防治作用。本研究在前期病毒分离培养、提取纯化的基础上，结合高通量测序和电镜观察等手段，从番茄匍柄霉中分离鉴定出了一种新的真菌病毒Stemphylium lycopersici alternavirus 1（SlAV1）。感染SlAV1病毒的真菌丢失菌落色素和对植物的致病性（图1）。

图1 SlAV1病毒的发现

（A）感染SlAV1菌株（左）与未感染SlAV1菌株（右）的培养性状比差异；(B) 感染SlAV1菌株（左）与未感染SlAV1菌株（右）的致病力差异; (C) SlAV1基因组电泳图; (D) SlAV1 基因组结构图; E. SlAV1病毒粒子形态

本研究发现，SlAV1通过显著下调匍柄霉中一个聚酮合成酶基因（PKS1），特异性干扰寄主聚酮毒素Altersolanol A（菌落黄褐色素的主要成分）的生物合成。PKS1缺失突变体不积累Altersolanol A，并对植物失去致病性。作者将SlAV1病毒编码的4个基因（ORF）分别在不含病毒的番茄匍柄霉和其近缘种囊状匍柄霉中表达，发现只有表达ORF3显著抑制了真菌PKS1的表达、Altersolanol A的积累和真菌的致病性，这表明ORF3是SlAV1病毒干扰寄主Altersolanol A 生物合成并导致其丧失致病性的决定因子（图2）。

图2 SlAV1 ORF3抑制匍柄霉毒素合成降低寄主致病力

(A) 番茄匍柄霉菌株中分别表达SlAV1 4个ORF的菌株形态; (B) 番茄匍柄霉分别表达SlAV1 4个ORF菌株的致病力; (C) 囊状匍柄霉菌株中表达SlAV1 ORF3的菌株形态; (D) 囊状匍柄霉表达SlAV1 ORF3菌株的致病力.

以往研究中已经有将携带病毒的真菌菌体用于植物病害生物防治的案例，但其安全性和稳定性受到质疑，因为含病毒的菌丝或孢子在实验室和田间多代繁殖后会出现病毒含量减少或丢失的现象。本研究创新性地将真菌病毒基因ORF3整合在匍柄霉基因组上，用整合病毒ORF3的真菌菌丝悬浮液喷洒多种植物，能显著提高多种园艺作物对匍柄霉强毒菌株的抗性，体现出其调节植物免疫和生物防治的作用（图3）。

本研究不仅首次揭示了SlAV1靶标寄主PKS1和毒素合成从而导致寄主弱毒的这一分子机制，而且证明了病毒基因整合至真菌基因组改变真菌致病力后，可作为保护剂提高植物抗性。该项研究成果不仅为植物真菌病害的生物防治提供了理论支持和重要资源，也为此开辟了一条安全高效的新途径。

图3 表达SlAV1 ORF3的菌株提高植物对强毒菌株的抗性

(A)番茄匍柄霉菌株SlHN-10（左）与转ORF3的番茄匍柄霉菌株SlORF3-T（右）的形态; (B)囊状匍柄霉菌株SvHN-02（左）与转ORF3的囊状匍柄霉菌株SvORF3-T（右）的形态; (C) 喷洒SlORF3-T菌丝2d后接种SlHN-10; (D) 喷洒SvORF3-T菌丝2d后接种SvHN-02; (E) 喷洒无菌水2d后接种SlHN-10; (F) 喷洒无菌水2d后接种SvHN-02

北京大学现代农业研究院访问学生、湖南农业大学植物保护学院博士生刘洪为论文第一作者，北京大学现代农业研究院邓兴旺院士、郭立研究员和湖南农业大学植物保护学院周倩教授为论文共同通讯作者。研究得到了湖南省自然科学基金、湖南省教育厅科学研究项目和湖南农业大学优博培育基金、山东省“泰山学者”人才计划的支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2214096119