《Biology》：The Multifaceted Menace of Fusarium as a Plant, Animal, and Human Pathogen
Kavindya Abeysinghe,
Asanka Madhushan,
Ahmed Mahmoud Ismail,
Evgeny Ilyukhin and
Sajeewa S. N. Maharachchikumbura
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这篇综述深入探讨了镰刀菌（Fusarium）这一重要真菌属的多面性。它不仅是一种众所周知的、可造成巨大作物损失和真菌毒素污染的植物病原体，还被日益认识到是动物和人类的机会性病原体，展现出跨宿主（Cross-Kingdom）感染的能力。文章在“同一健康（One Health）”框架下，系统整合了植物病理学、兽医学和医学真菌学的研究视角，从基因组可塑性（如辅助染色体）、保守的毒力机制和共享的环境暴露等方面，分析了其跨界致病性（Cross-Kingdom Pathogenesis）的基础。文中还评估了气候变化、基因组可塑性（包括水平基因转移HGT和突变）对其宿主适应性的影响，并讨论了包括比较基因组学、CRISPR等功能验证技术在内的新型研究方法。最后，文章强调了通过跨学科协作、综合监测来应对这一全球性威胁的必要性。
引言：一个跨界威胁的崛起
镰刀菌（Fusarium）是一个多样的丝状真菌属，长期以造成毁灭性植物病害和食品真菌毒素污染而闻名，严重威胁全球粮食安全。然而，越来越多的研究证实，镰刀菌属的多种物种也是动物和人类的机会性病原体。这种跨越宿主边界的能力，使其成为农业、公共卫生和环境管理领域备受关注的多方面威胁。本综述旨在整合植物病理学、兽医学和医学真菌学的视角，探讨镰刀菌如何在迥然不同的环境中生存，并感染如此多样的宿主，强调了在“同一健康”框架下协调应对这一全球性真菌威胁的必要性。
镰刀菌的感染策略：从植物到人与动物
镰刀菌的感染策略因其宿主而异，但也存在显著的共性。
植物感染
在植物中，镰刀菌是极具破坏性的病原体，可侵染小麦、玉米、水稻、香蕉等多种重要作物，引起枯萎、根腐、穗腐等病害，造成巨大的产量损失和经济影响。典型的侵染始于通过自然孔口、伤口或根区进入宿主。进入后，镰刀菌会分泌一系列细胞壁降解酶（CWDE），如纤维素酶、角质酶、果胶酶和木聚糖酶，以分解植物细胞壁结构，获取养分。此外，分泌的蛋白酶（如番茄枯萎病菌分泌的FolAsp和FoAPY1）在侵染和降解宿主防御相关蛋白中起关键作用。镰刀菌还会分泌伏马酸等真菌毒素，干扰植物的抗氧化酶系统，抑制宿主的先天免疫反应，从而加剧病害。
人类与动物感染
在人类和动物中，镰刀菌感染通常发生在免疫受损个体中，通过伤口、吸入或摄入发生。在人类中，镰刀菌可导致角膜炎、皮肤镰刀菌病、甲真菌病乃至危及生命的侵袭性镰刀菌病。镰孢属（Fusarium）物种中，茄病镰刀菌复合种（F. solani species complex, FSSC，现称为Neocosmospora solani）是报道最多、毒力最强的，其次是尖孢镰刀菌（F. oxysporum）和藤仓镰刀菌（F. fujikuroi）。
感染后，真菌在宿主体内形成菌丝，可侵入血管导致血栓和组织梗死。与植物类似，分泌的胞外蛋白酶是重要的毒力因子。生物膜形成是其另一个重要策略，尤其在角膜炎和甲真菌病中，导致长期持续和难治性感染。
感染机制的异同
镰刀菌感染植物和动物既有相似性也有差异性。在植物中，侵染主要通过根系、伤口或自然孔口进入，之后向维管系统扩展，依赖细胞壁降解酶和植物毒性代谢物。在人和动物中，感染则通常通过伤口、吸入或粘膜屏障破坏发生，并通过血流播散，而非特化的植物维管组织。两者的相似之处在于，都会利用一套蛋白水解酶来侵入宿主。此外，镰刀菌分泌的伏马酸可在两个界中抑制宿主免疫反应。这些保守的策略揭示了其利用共享宿主弱点的能力。
宿主适应性与跨界致病性的驱动因素
镰刀菌的跨界能力源于其卓越的基因组可塑性、环境适应性和进化创新。
核心与辅助基因组结构
比较基因组学揭示了镰刀菌基因组被划分为核心基因组和辅助染色体（Accessory Chromosomes, ACs）。核心染色体编码必需的管家功能，而辅助染色体则富含与毒力相关的基因，在决定宿主特异性方面起着关键作用。研究表明，植物病原性菌株的辅助染色体上富含编码分泌效应蛋白（如SIX效应子）和植物细胞壁降解酶的基因。相比之下，人类临床分离株的辅助染色体上则富集了与金属离子和无机阳离子转运相关的基因，这有助于克服宿主施加的“营养免疫”，建立感染。这种差异化的基因配置为跨界致病性提供了机制基础。
移动染色体与水平基因转移
水平基因转移是镰刀菌进化适应性的关键机制。辅助染色体（尤其富含转座元件）可以在菌株间水平转移，从而将非致病性菌株转变为强毒病原体，并塑造新的致病谱系。基因组分析显示，镰刀菌物种从细菌等外源获取特定基因，扩展了其代谢功能，增强了其在各种环境压力下的适应能力。
蛋白质组学与转录组学的洞见
蛋白质组和转录组分析揭示了共享的毒力调节机制。丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路，如Mpk1、Hog1和Fmk1，在胁迫适应、形态发生和宿主互作中起重要作用。雷帕霉素靶蛋白（TOR）和组氨酸激酶的调控，则强调了环境信号感知和营养感应对该病原体适应多种宿主的重要性。这些保守的信号通路使其能够灵活应对不同宿主环境。
基因突变与生理小种进化
致病相关基因的遗传突变，如AVR1、AVR2等效应子基因的缺失或点突变，是镰刀菌（如尖孢镰刀菌）适应新宿主、克服植物抗性的关键驱动力。单核苷酸多态性（SNPs）也促进了其在变化环境中的适应性。
环境因素的影响
气候变化深刻影响镰刀菌的分布、生存和致病潜力。温度、湿度和降水等条件直接影响真菌的孢子萌发、生长、繁殖和传播。全球变暖可能增强镰刀菌的耐热性，使其在更高温度下存活和致病。极端降雨事件可促进其传播。此外，气候变化也会改变真菌毒素的产生模式和地理分布，从而影响粮食安全。
研究跨界感染的新方法
在“同一健康”框架下，需要整合方法来研究跨界致病性。
- 1.
比较基因组学：通过对比不同宿主来源菌株的基因组，可识别与毒力、宿主适应相关的保守和谱系特异性区域，揭示跨界适应的遗传基础。
- 2.
宿主转录组学：通过分析宿主在感染过程中的全基因组转录变化，可以识别疾病生物标志物，揭示宿主对不同病原体的分子反应，阐明跨界致病性的机制。
- 3.
模式生物：利用非脊椎动物模型（如大蜡螟 Galleria mellonella）可以高效模拟宿主-真菌互作，研究毒力机制。研究表明尖孢镰刀菌可以在大蜡螟体内进行真正的侵袭性感染，证明了其利用保守毒力机制感染系统发育上不同宿主的能力。
- 4.
基于CRISPR的功能验证：CRISPR-Cas9基因编辑技术能够对通过比较组学识别的候选毒力基因进行精准的功能验证，是研究跨界致病性遗传机制的有力实验平台。
真菌毒素与“同一健康”视角
镰刀菌产生的多种真菌毒素是其对人类和动物健康构成的最严重风险之一。这些次级代谢产物可导致急性或慢性疾病，影响动物生产力，并扰乱贸易。世卫组织已将镰刀菌列为需要紧急研究的高优先级真菌病原体。
应对这一跨界威胁需要统一的、跨学科的综合策略。建立一个整合农业、医学和环境分离株的综合诊断-监测框架至关重要。传统的、孤立关注农业或医学分离株的方法，会错失不同宿主间疾病暴发的重要联系。将来自农场、医院和野生动物的数据整合到一个监测系统中，可以追踪暴发模式、监测与毒力、适应性和抗性相关的遗传变化，识别高风险溢出区域。这正符合“同一健康”的核心原则，即强调人类、动物和植物健康之间的相互关联性。
未来展望与结论
气候变化预计将改变镰刀菌的分布，使其入侵先前不适应的地区，增加其对农业、生态系统以及人类和动物健康的威胁。同时，镰刀菌对环境的高适应性、临床与植物分离株的生态重叠、以及其对多种抗真菌药物（如唑类和棘白菌素）的天然耐药性，都增加了防治的复杂性。
为有效应对，需要推动植物病理学、兽医学和人类医学之间的跨部门协作。推广可持续农业实践，加强对食品和饲料中真菌毒素污染的监管，将气候变化预测纳入疾病预报模型，并对农民、兽医和公共卫生官员等关键利益相关者进行教育和提高认识，对于长期、综合地管理这一多面性威胁至关重要。
总而言之，镰刀菌不仅是一种重要的植物病原体，更是一种日益增长的跨界威胁。其跨界能力由基因组可塑性、环境压力和气候变化共同驱动。应对这一挑战，需要综合监测、先进的分子与基因组工具，以及跨学科的协调合作。
