近日，Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了由广西大学张木清/胡琴课题组撰写的“A Fusarium sacchari Glycoside Hydrolase 12 Protein FsEG1 Is a Major Virulence Factor During Sugarcane Infection and Confers Resistance to Pokkah Boeng Disease via the HIGS Strategy”论文。揭示了甘蔗镰孢菌（F. sacchari）分泌的GH12家族糖苷水解酶类效应蛋白FsEG1在侵染甘蔗过程中的关键作用。研究表明该效应蛋白与甘蔗镰孢菌的致病力密切相关，敲除该基因后，致病力显著下降，说明病原菌依赖于该效应蛋白对细胞壁的水解作用以突破甘蔗的物理屏障；甘蔗能够通过感知由于FsEG1水解细胞壁产生的损伤信号（Damage-associated molecular pattern）监控病原菌的入侵，激活下游免疫响应。基于此，研究团队进一步在甘蔗中超量表达FsEG1或者利用寄主诱导基因沉默技术（Host induced gene silence, HIGS）靶向FsEG1创制了高抗梢腐病新种质。该研究丰富了甘蔗镰孢菌与寄主互作的分子网络，为甘蔗梢腐病的分子防控提供了理论基础和改良策略。

甘蔗是我国乃至全球重要的糖料与生物能源作物之一（Huang, Zhang et al. 2026）。由甘蔗镰孢菌 （Fusarium sacchari） 引起的梢腐病（Pokkah Boeng Disease, PBD）长期制约甘蔗产量和生产稳定性（Yin, Huang et al. 2025）。由于病原菌致病机制复杂，甘蔗抗病育种进展相对缓慢，系统解析病原菌关键致病因子及其作用机制对病害防控和抗病品种培育具有重要意义（Huang, Wang et al. 2024）。病原菌在侵染植物的早期分泌的效应子中包含大量的细胞壁降解酶（cell wall degrading enzymes, CWDEs），包括糖苷水解酶（GHs）、碳水化合物酯酶（CEs）、多糖裂解酶（PLs）、糖基转移酶（GTs）、辅助活性酶（AAs）以及碳水化合物结合模块等六大类。其中GHs是成员最多、分布最广泛的一类，参与糖缀合物、低聚糖和多糖中糖苷键的水解和重排；目前已鉴定到173个GH家族，这些家族基于序列相似性被分为18个不同的GH类群（GH-A 至 GH-R），降解底物涵盖淀粉、纤维素、半纤维素等。随着测序技术和研究手段的进步，大量病原真菌分泌的GH类效应蛋白被鉴定和解析，这类效应蛋白往往和病原菌的致病力密切相关，在调控寄主细胞壁抗性方面发挥重要作用，也为开展植物抗病设计提供了丰富的信息。研究团队从 F. sacchari 全基因组预测的分泌蛋白中鉴定出GH12类效应蛋白 FsEG1，在病原菌中通过基因敲除与互补实验明确证实，缺失 FsEG1 的突变菌株致病力显著下降，而互补后致病表型得以恢复，表明 FsEG1 是 F. sacchari 侵染甘蔗所必需的毒力因子之一。生化分析显示，FsEG1 具有典型的 β-葡聚糖酶和木聚糖酶活性，其酶活性对致病功能至关重要。进一步研究发现FsEG1 主要定位于寄主质外体，在入侵寄主过程中会降解宿主细胞壁释放寡糖类损伤信号分子（DAMPs），从而被寄主感知并激活防御反应（DAMP-triggered immunity, DTI）。在模式植物Nicotiana benthamiana 中，FsEG1 诱导的免疫反应和细胞死亡依赖于多个细胞壁相关受体激酶（WAKs）和 LysM 受体激酶 CERK1，同时需要 RAR1、MAP3Kα 等胞内信号因子的参与，揭示了 FsEG1 触发植物免疫反应的信号通路特征。在应用层面，研究团队在甘蔗中构建了 FsEG1过表达以宿主诱导基因沉默（HIGS）靶向 FsEG1的转基因材料。抗病性评价结果显示，两类转基因材料均表现出对梢腐病抗性显著增强。其中，HIGS- FsEG1材料通过抑制病原菌中 FsEG1 的表达有效削弱了 F. sacchari 的致病能力，而 FsEG1 过表达材料则通过激活防御相关基因提高了甘蔗的抗病水平，验证了 FsEG1 作为抗病改良靶标的应用潜力。该研究从致病因子鉴定—作用机制解析—抗病策略验证三个层面，系统阐明了 F. sacchari 关键毒力蛋白 FsEG1 在甘蔗梢腐病发生中的核心作用，不仅深化了对“甘蔗—甘蔗镰孢菌”互作机制的认识，也为甘蔗抗梢腐病分子育种和绿色防控策略的建立提供了重要参考。全文主要研究结果如下：

1.    FsEG1与甘蔗镰孢菌的致病性密切相关

RT-qPCR 检测FsEG1在蔗镰孢菌侵染甘蔗过程中的表达模式，发现其在12至168小时内均高表达，24小时表达量达到峰值（图1a）。通过农杆菌介导的遗传转化，获得FsEG1敲除突变体（ΔFsEG1）和回补突变体（ΔFsEG1-C），发现各类突变体的生长速率、菌落形态和分生孢子产量与野生型无显著差异，表明FsEG1不参与病菌的营养生长和碳源利用（图1b）。致病力检测发现与野生型相比，ΔFsEG1致病力显著降低（图1c，1d）；而ΔFsEG1-C回补突变体致病力无明显差异（图1e，1f），说明FsEG1是蔗镰孢菌侵染甘蔗的关键毒力因子，其功能缺失会导致其致病力显著下降。

图1. FsEG1 是甘蔗镰孢菌的重要致病因子

2.    FsEG1 蛋白诱导的细胞死亡依赖其糖苷水解酶活性及质外体定位

将FsEG1、BAX和GFP分别克隆至PVX载体pGR107，构建C端融合3×HA标签的重组载体，借助烟草瞬时表达系统研究FsEG1对寄主免疫响应的调控作用。发现FsEG1可诱导寄主细胞死亡（图 2a，2b）。利用原核表达系统获得了FsEG1-MBP、FsEG1ΔSP-MBP（缺少分泌信号肽）以及FsEG1SM-MBP（突变酶活性相关的E144和E231残基，图 2c）纯化蛋白，酶活性检测发现 FsEG1SM 几乎完全丧失了降解木葡聚糖和β-葡聚糖的活性，而FsEG1 和 FsEG1ΔSP酶活性正常（图2d）。将重组蛋白注射烟草发现 FsEG1SM不能诱导细胞坏死，说明FsEG1的糖苷水解酶活性是其诱导细胞死亡激发免疫响应所必须的（图2e）。在烟草中瞬时表达pGR107:FsEG1ΔSP和pGR107:FsEG1SPPR1-ΔSP 发现pGR107:FsEG1ΔSP无法诱导烟草细胞死亡，而pGR107:FsEG1SPPR1-ΔSP能够诱导烟草细胞坏死（图2f-2i），表明FsEG1的质外体定位是其诱导烟草细胞坏死的必要条件。推测FsEG1诱导寄主细胞产生坏死可能是通过降解细胞壁产生特定的DAMPs分子，从而激活下游的免疫响应。

图2 FsEG1 诱导细胞死亡的活性依赖于其糖苷水解酶活性及质外体定位。

3.    FsEG1诱导细胞死亡的能力依赖WAKs、CERK1、RAR1 和 MAP3Ka

为明确FsEG1诱导细胞死亡的宿主特异性，研究者将其在辣椒、番茄、大豆、玉米和棉花的叶片中进行瞬时表达，发现FsEG1可诱导辣椒和番茄叶片产生局部细胞死亡，而对大豆、玉米和棉花无此效果（图3a）。通过病毒诱导基因沉默（VIGS）技术，在本氏烟中分别沉默PTI通路（NbBAK1、NbSOBIR1）、ETI通路（NbSGT1）、水杨酸介导的防御通路（NbSIPK、NbEDS1、NbNPR1、NbNDR1）相关标志基因、以及 DAMP 识别受体基因（NbWAKs、NbCERK1、NbRAR1、NbMAP3Kα）。RT-qPCR 验证沉默效率后（图3b），瞬时表达 FsEG1 检测细胞死亡情况，发现沉默 NbWAK2、NbWAK6、NbWAK11、NbWAK13、NbWAK15、NbCERK1、NbRAR1 或 NbMAP3Kα后，FsEG1无法诱导细胞死亡；而沉默 NbBAK1、NbSOBIR1、NbSGT1 等基因则不影响，表明FsEG1诱导细胞死亡依赖于对DAMP信号的识别，且NbWAKs、NbCERK1、NbRAR1 和 NbMAP3Kα 是该通路的关键组分（图3c）。

图3 FsEG1 诱导的细胞死亡依赖于相关受体对DAMP信号的识别

4.    在甘蔗中表达FsEG1或靶向FsEG1的SiRNA 均可增强对甘蔗镰孢菌的抗性

利用农杆菌介导的甘蔗遗传转化，获得了过表达FsEG1（OE-FsEG1）和HIGS 靶向FsEG1（HIGS-FsEG1）的稳定转基因材料。室内接种和大田接种鉴定均表明OE-FsEG1转基因甘蔗抗病性显著提高，防御相关基因ScNPR1、ScPR1a、ScRBOHD、ScPAL1、ScERF1 等组成性激活（图4）。说明在甘蔗中异源表达FsEG1能够触发甘蔗的免疫响应，从而增强对甘蔗镰孢菌的抗性。

图4 过表达FsEG1的转基因甘蔗对甘蔗镰孢菌的抗性增强

针对 HIGS 植株，利用 siDirect version 2.0软件预测出3个候选siRNA 序列，茎环RT-qPCR检测发现，仅FsEG1-siRNA-2可在转基因植株中有效表达，据此筛选出四个高表达株系（HIGS-6、HIGS-26、HIGS-29和HIGS-58）。室内接种和大田接种鉴定均表明HIGS-FsEG1转基因甘蔗抗病性显著提高，侵染HIGS-FsEG1甘蔗叶片后的甘蔗镰孢菌菌丝中FsEG1 转录水平均显著降低，证实 HIGS-FsEG1 转基因甘蔗产生的FsEG1-siRNA-2能够进入甘蔗镰孢菌中且发挥干扰 FsEG1 表达的作用（图5）。防御相关基因表达分析显示，HIGS-FsEG1 株系与野生型无显著差异，说明 HIGS-FsEG1甘蔗抗病能力增强主要是通过siRNA抑制FsEG1从而削弱病原菌致病力，而不干扰甘蔗自身的免疫响应（图5）。以上结果表明，在甘蔗中表达FsEG1或 HIGS沉默FsEG1能够有效提高对甘蔗镰孢菌的抗性，为甘蔗抗病分子育种提供了可行策略。

图5 HIGS-FsEG1的转基因甘蔗对甘蔗镰孢菌的抗性增强

广西大学农学院博士研究生吴登和洪天澍为论文共同第一作者，广西大学农学院胡琴副教授为论文通讯作者。 广西大学农学院张木清教授、姚伟教授、暴怡雪副教授，以及广西大学农学院研究生王璐璐、任倩倩、王世超等参与了该项研究。本研究工作得到了广西科技重大专项、国家自然科学基金等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70577

l  Huang, Y., Y. Zhang, Q. Zhang, G. Zhuang, C. Li, B. Wang, R. Gao, Y. Xu, Y. Qi, X. Hua, H. Shi, Q. Xu, W. Yao, X. Liu, Y. Qi, B. Chen, M. Zhang, R. Ming, H. Tang and J. Zhang (2026). "Multiscale pangenome graphs empower the genomic dissection of mixed-ploidy sugarcane species." Science 391(6785): eadx1616.

l  Huang, Z., C. Wang, H. Li, Y. Zhou, Z. Duan, Y. Bao, Q. Hu, C. A. Powell, B. Chen, J. Zhang, M. Zhang and W. Yao (2024). "Small secreted effector protein from Fusarium sacchari suppresses host immune response by inhibiting ScPi21-induced cell death." Mol Plant Pathol 25(1): e13414.

l  Yin, L., Z. Huang, Y. Zhou, M. Lu, L. Zhu, R. Di, Z. Duan, Y. Bao, Q. Hu, C. A. Powell, B. Chen, J. Zhang, M. Zhang and W. Yao (2025). "Enhanced Resistance to Pokkah Boeng Disease in Sugarcane Through Host-Induced Gene Silencing Targeting FsCYP51 in Fusarium sacchari." Plant Cell Environ 48(6): 3861-3874.

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