水稻病害团队揭示H₂S介导的S-硫巯基化修饰调控稻瘟菌侵染水稻的新机制-华中农业大学南湖新闻网

水稻病害团队揭示H₂S介导的S-硫巯基化修饰调控稻瘟菌侵染水稻的新机制

发布时间：2025-07-09 编辑：琚伊琳来源：植物科学技术学院

南湖新闻网讯（通讯员胡虹）由稻瘟菌（Magnaporthe oryzae）引发的稻瘟菌是水稻生产中极具毁灭性的真菌病害，发病严重时可致产量大幅下降，甚至颗粒无收。因此，当前迫切需要解析稻瘟菌的致病机制，挖掘稻瘟菌的致病因子来开发高效低毒杀菌剂。硫化氢（H2S）作为继CO和NO之后的第三个气体信号分子，参与抗氧化、蛋白翻译后修饰、调节细胞周期等多种生理功能，然而，其在真菌中的作用机制及分子靶点尚不清晰。

2025年7月5日，华中农业大学植物科学技术学院陈小林教授课题组在国际著名学术期刊《Nature Communications》上在线发表了题为 “H₂S-mediated protein S-sulfhydration modulates infectivity and autophagy in the rice blast fungus” 的研究论文。该研究系统揭示了H₂S介导的S-硫巯基化修饰在稻瘟菌致病性和自噬过程中的调控机制，并提出了利用H₂S供体作为防控真菌病害的新策略。

研究首次系统地揭示了气体信号分子硫化氢（H₂S）在稻瘟菌中的作用机制，特别是其通过S-硫巯基化修饰调控自噬和致病性的功能。研究鉴定出CSE1是稻瘟菌中H₂S合成的关键酶，这一发现填补了H₂S在真菌中作用机制的研究空白，并为理解其生物合成和调控提供了重要基础。此外，研究发现外源H₂S供体（如NaHS）能够显著抑制稻瘟菌的致病性，这为开发基于H₂S的绿色防控策略提供了理论依据，有望成为一种高效、环保的病害防控新手段。同时，该研究揭示了S-硫巯基化修饰在调控自噬中的保守性，鉴定出自噬相关蛋白ATG18的C78位点的S-硫巯基化修饰对自噬和致病性具有重要调控作用，为真菌自噬调控机制的研究提供了新的靶点。这一发现不仅为植物病理学研究提供了新视角，推动了蛋白质修饰研究的发展，还对农业可持续发展具有重要意义，有助于减少农药依赖、提高作物抗逆性，促进农业的绿色发展。

1）揭示了H2S对稻瘟菌侵染结构发育和侵染过程的影响。研究发现过量的H2S对稻瘟菌的侵染结构和侵染过程有害。使用H2S供体（NaHS）处理时，虽然对附着胞的形成率没有影响，但会影响附着胞内渗透压的积累和隔膜环的形成，进而阻碍稻瘟菌在水稻中的侵染过程。而使用H2S清除剂（hypotaurine, HT）则不会显著影响附着胞的形成，但会增强侵染结构（附着胞）的发育。

Figure 1 Excessive H2S is harmful to the development and invasion of infected structure.

2）H2S合成酶CSE1的鉴定及其功能验证。通过同源比对，研究者在稻瘟菌中鉴定出了与哺乳动物中H2S合成相关的酶CSE1（cystathionine γ-lyase），其基因全长1869 bp，编码426个氨基酸，含有保守的Aminotran_1_2结构域，对氨基酸转移反应至关重要。通过qRT-PCR分析发现，在稻瘟菌附着胞发育阶段（AP_3H和AP_12H），CSE1基因表达显著下降，暗示H2S可能在附着胞功能中发挥负调控作用。

利用荧光探针AzMC检测H2S水平，发现CSE1过表达（CSE1_OE）突变体在各个发育阶段的H2S含量显著高于野生型，且CSE1_OE突变体的半胱氨酸（Cys）含量比野生型降低了约20%。而CSE1基因敲除（Δcse1）突变体的H2S含量显著低于野生型。此外，NaHS和HT处理分别增加了和降低了稻瘟菌中的H2S水平，进一步证实了CSE1是稻瘟菌中H2S合成的关键酶。

Figure 2 CSE1 controls H2S production and S-sulfhydration levels in Magnaporthe oryzae.

通过在大麦和水稻叶片上接种野生型和Δcse1菌株的孢子悬浮液，发现Δcse1菌株在大麦和水稻叶片上形成的病斑数量更多，且在受伤的水稻叶片上扩散更快。而CSE1过表达突变体（CSE1_OE）在大麦和水稻上的致病性显著低于野生型，表明CSE1对稻瘟菌的致病性具有负调控作用。

Figure 3 CSE1 negatively regulates the pathogenicity of M. oryzae.

3）H2S信号对稻瘟菌自噬过程的调控。研究发现，在野生型稻瘟菌中，H2S水平在附着胞发育过程中呈现动态变化，H2S信号从分生孢子逐渐转移到成熟的附着胞中。而CSE1过表达突变体在附着胞发育过程中H2S水平更高，且附着胞在渗透压下更容易塌陷，表明CSE1过表达可能影响附着胞的成熟。通过在野生型和CSE1过表达突变体中引入GFP-Atg8标记，观察到在氮饥饿条件下，CSE1过表达突变体中GFP-Atg8在液泡中的定位减少，表明自噬过程受到抑制。此外，通过Western blot分析发现，CSE1过表达突变体中自噬的激活程度显著低于野生型。在附着胞中，CSE1过表达突变体中自噬体的数量显著增加，进一步证实了H2S介导的S-硫巯基化修饰对稻瘟菌自噬的调控作用。

Figure 4 H2S-mediated S-sulfhydration negatively regulates autophagy of M. oryzae.

4）定量蛋白质组学揭示稻瘟菌中的S-硫巯基化修饰靶标蛋白。通过定量蛋白质组学技术，研究者鉴定了稻瘟菌中的S-硫巯基化修饰靶标。在野生型和CSE1过表达突变体中，共鉴定出1054个S-硫巯基化修饰靶标，其中997个上调修饰，57个下调修饰。这些蛋白主要分布在细胞质、线粒体、细胞核、细胞外和细胞膜等亚细胞区域。通过蛋白质结构域、KEGG通路和GO分类分析，发现这些S-硫巯基化修饰靶标参与了多种生物学过程，包括有机物质代谢、细胞代谢、氮化合物代谢、大分子定位、细胞对刺激的响应和细胞定位等。KEGG富集分析显示，S-硫巯基化修饰靶标参与了C5-支链二羧酸代谢、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成、甘油酸和二羧酸代谢以及抗生素生物合成等关键代谢和合成途径。

Figure 5 Identification of S-sulfhydrated proteins in M. oryzae.

5）ATG18蛋白的S-硫化修饰对自噬和致病性的影响。研究发现，自噬相关蛋白ATG18的C78位点是S-硫巯基化修饰的关键位点。通过体外和体内实验验证了ATG18的C78位点可以被S-硫巯基化修饰。在野生型稻瘟菌中，ATG18的S-硫巯基化修饰对附着胞功能和致病性至关重要。通过构建C78A突变体，发现该突变体在附着胞功能和致病性方面表现出显著差异。C78A突变体的附着胞塌陷率显著低于野生型和互补菌株，表明S-硫巯基化修饰对附着胞功能至关重要。此外，C78A突变体在大麦和水稻上的致病性显著增强，表明ATG18的S-硫巯基化修饰对稻瘟菌的致病性具有负调控作用。通过分子对接和体外实验，发现ATG18的S-硫巯基化修饰可以增强其与磷脂酰肌醇3-磷酸（PtdIns(3)P）的结合能力。C78A突变体的ATG18与PtdIns(3)P的结合能力显著减弱，导致自噬体数量和大小的增加，从而加速自噬过程和致病性。

Figure 6 The S-sulfhydration site of ATG18 negatively regulated the autophagy process of M. oryzae.

Figure 7 S-sulfhydration of ATG18 regulates its conformation and phospholipid binding activity.

6）外源H2S供体NaHS对稻瘟菌致病性的影响。基于 H₂S 对稻瘟菌致病性和自噬的调控作用，研究团队进一步探讨了 H₂S 供体在防控稻瘟病中的应用潜力。研究发现，不同浓度的NaHS对稻瘟菌及多种病原真菌菌具有良好的防治效果。表明外源H2S供体可能作为一种广谱的病原真菌抑制剂。此外，硫化氢供体价格低廉、易于获取且水溶性好，这使得它们容易被植物吸收。硫化氢供体可以通过叶面施肥或与商业杀菌剂结合使用，这为农业生产和病害的绿色防控提供了一种低成本高效益的新思路。