原创解读 | NC |华中农业大学团队合作破解真菌毒素DON完全降解难题,为保障粮食安全提供绿色解决新方案

小麦、玉米等粮食作物生产过程中易受到多种病原菌危害，产毒病原真菌不仅导致粮食减产，还会造成严重的真菌毒素污染。脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）是全球污染范围最广、检出率最高的真菌毒素之一。DON毒素既可作为关键毒力因子，促进镰刀菌在作物中的扩展，加重病害发生；又具有稳定的化学性质，普通粮食加工过程难以去除，易进入食物链，直接危害人畜健康，目前已成为制约粮食生产与农产品质量安全的关键瓶颈。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。

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，以“Specialized aldo-keto reductases trigger complete degradation of mycotoxin deoxynivalenol”为题在Nature Communications期刊在线发表，揭示了将DON毒素完全降解形成CO2和H2O的作用机制，系统阐明了降解过程的起始代谢路径及关键毒素降解酶，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。

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毒素为唯一碳源或能量来源进行生长，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）等多种镰刀菌毒素，展现出优异的广谱降解潜力。

研究团队对DON毒素降解中间代谢物的动态积累规律进行研究发现，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-异构化和C8-还原途径。其中，DON经C3-异构化途径生成中间代谢物3-异构-DON（3-epi-DON），经C8-还原途径则生成中间代谢物α/β-8-羟基-DON（α/β-8-OH-DON）。并且，经C3异构化途径生成的3-epi-DON又可进入C8-还原途径，进一步降解生成8-羟基-3-epi-DON。然后通过基因组测序、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，发现两个新醛酮还原酶DONepi 和DONrd分别催化DON的 C3-异构化和C8-还原过程。

传统的DON异构化须由两种酶经过两步反应催化完成，而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解析，发现其为独特的八聚体结构，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）等多维度模拟分析发现，DONepi催化DON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，最后通过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。

DON C8酮基的还原是团队首次发现的一种新的DON降解方式，由DONrd负责催化。通过 AlphaFold2 结构预测与分子对接分析，发现DONrd也具有(α/β)8桶状结构，但其C端尾环与DONepi存在明显差异，DON若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，这两种代谢产物也是首次发现。这些中间代谢物还会在其他酶的作用下进一步被降解，最终实现DON的完全降解。

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。

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，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。