Nature Commun | 华中农业大学殷平/张静柏团队破解真菌毒素DON完全降解难题,为保障粮食安全提供绿色解决新方案

近日，华中农业大学和中国科学院上海营养与健康研究所等单位联合在真菌毒素生物降解领域取得突破，揭示了将DON毒素完全降解形成CO2和H2O的作用机制，阐明了完全降解过程起始代谢路径及关键毒素降解酶，并对降解酶蛋白结构、核心催化机制和生物技术应用潜力进行了系统解析。相关研究成果以 “Specialized aldo-keto reductases trigger complete degradation of mycotoxin deoxynivalenol” 为题在 Nature Communications 杂志在线发表，为保障粮食安全和农产品质量安全提供了原创性绿色防控新策略。

小麦、玉米等粮食作物生产过程中易受到多种病原菌的危害，而产毒病原真菌不仅会导致粮食减产，还会造成严重的真菌毒素污染。脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON），俗称呕吐毒素，是全球污染范围最广、危害最严重的真菌毒素之一。DON毒素属于15碳倍半萜类化合物，主要由镰刀菌在侵染小麦、玉米等粮食作物时产生，其作为关键毒力因子，可促进镰刀菌在作物中的扩展，加重病害程度。DON毒素化学性质稳定，普通粮食加工过程难以将其去除，易进入食物链，直接危害人畜健康。因此，世界各国对DON毒素在粮食及其制品中的含量都有严格的限量标准。但由于气候变化及耕作制度等因素的影响，DON毒素污染日益加重，目前已成为制约粮食生产与农产品质量安全的关键瓶颈。长期以来，如何实现DON毒素的高效、彻底降解，一直是国际学术界与产业界共同关注的核心难题。

研究团队首先利用基于毒性评估的降解菌筛选策略，从赤霉病高发的小麦田土壤中筛选获得高效降解DON毒素的菌群S5。通过抗生素选择性富集与16S rDNA测序，锁定类诺卡氏菌属（Nocardioides sp.）为功能核心，最终分离得到纯菌株 S5-5。生长曲线检测、高分辨质谱分析和¹³C同位素示踪表明，该菌株能以DON毒素为唯一碳源和能量来源进行生长，并彻底破坏DON分子骨架结构，将其完全降解形成CO2和H2O。此外，菌株S5-5还可降解新茄病镰刀菌烯醇（NEO）、雪腐镰刀菌烯醇（NIV）以及3-乙酰脱氧雪腐镰刀菌烯醇（3Ac-DON）等多种与DON共污染的镰刀菌毒素，展现出优异的广谱降解潜力。

为了解析DON完全降解机制，研究团队对DON毒素降解中间代谢物的动态积累规律进行了分析，发现S5-5对DON的完全降解由两条不同代谢路径同时开启，分别是C3-异构化途径和C8-还原途径。DON经C3-异构化途径生成中间代谢物3-异构-DON（3-epi-DON），而经C8-还原途径生成中间代谢物α/β-8-羟基-DON（α/β-8-OH-DON）。同时，C3异构化途径生成的中间代谢物3-epi-DON又可经C8-还原途径进一步降解形成8-羟基-3-epi-DON。研究团队通过基因组测序、细菌人工染色体文库（BAC）构建、功能筛选及基因异源表达验证，发现两个通过水平转移获得的新醛酮还原酶DONepi 和DONrd分别催化DON C3-异构化和C8-还原过程。

与传统的DON异构化由两种酶经过两步反应催化完成不同，DONepi可单独催化DON的C3异构化，研究团队利用冷冻电镜（Cryo-EM）技术对其蛋白结构进行了解析，发现其形成独特的八聚体结构，由两个呈30°偏移的同源四聚体通过C端尾环相互锚定形成，每个单体包含典型的AKR家族(α/β)8桶状结构域与NADP⁺结合位点。结合量子力学/分子力学元动力学（QM/MM-MD）等多维度模拟分析，团队发现DONepi催化DON异构化时，首先形成一个瞬时的酮基中间产物，随后，DONepi驱使该中间体在活性口袋内发生刚性旋转，通过NADPH介导的立体选择性还原生成3-epi-DON。这一“瞬时酮基中间产物”机制，为AKR家族的功能多样化提供了新认知。而DONrd负责催化一种新的DON降解方式-C8酮基的还原。通过 AlphaFold2 结构预测与分子对接分析，发现DONrd同样具有(α/β)8桶状结构，但C端尾环与DONepi存在明显差异，DON以不同的手性方向进入其催化活性口袋，会形成一对差向异构体：α-8-OH-DON和β-8-OH-DON，这是首次在DON降解中发现这种催化反应。这些中间代谢物还会在其他多个酶（如细胞色素P450酶等）的作用下进一步被降解，最终实现DON的完全降解。

DON完全降解示意图

综上，本研究不仅揭示了DON毒素的完全降解路径，破解了“传统技术降解不彻底”的难题，更通过结构生物学与分子模拟的深度结合，揭示了AKR酶的新型催化机制，为其工程化改造提供了精准的蓝图。未来，随着多酶协同降解系统的构建、酶制剂的产业化应用以及抗毒素生物育种的推进，该成果有望在产前作物抗毒素积累、产后毒素消除等全链条的粮食安全防控中发挥核心作用，为真菌毒素污染治理提供绿色方案。同时，该研究建立的“微生物筛选-基因鉴定-进化分析-结构解析-机制验证” 技术体系，为其他真菌毒素（如黄曲霉毒素、玉米赤霉烯酮等）的降解研究提供了参考范式。

华中农业大学植物科学技术学院已出站博士后何伟杰为论文第一作者（已获批主持国家自然基金面上项目），中国科学院上海营养与健康研究所武爱波研究员（植科院兼职教授）、华中农业大学生命科学技术学院殷平教授和植物科学技术学院张静柏副教授为论文共同通讯作者，植科院廖玉才教授（已退休）、湖北省农业科学院粮食作物研究所刘易科研究员等对该工作给予了长期指导。该研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70007-z