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为了解决化学农药过度使用带来的抗性、环境与健康风险，研究人员对82种与植物或昆虫相关的禾本科真菌（Hypocreales）开展了系统的生物合成潜能调查。通过整合系统基因组学、代谢组学与合成生物学，他们鉴定了超过5200个生物合成基因簇（BGCs），其中约80%产物未知，并成功将部分BGCs与已知生物活性分子（如吡啶酮、脱硫仲丝裂素、efrapeptin等）关联，为未来开发可持续病虫害防控策略奠定了基础。
全球每年高达40%的农作物因病虫害而损失，合成农药的过度使用不仅导致害虫产生抗性，更对环境和公共健康构成显著风险。在此背景下，寻找更安全、高效的替代方案迫在眉睫。自然界中，一大类名为禾本科（Hypocreales）的真菌，如著名的木霉（Trichoderma）和绿僵菌（Metarhizium），它们能巧妙地与植物“结盟”，同时“对抗”害虫和其他病原真菌，是生物防治剂和生物农药的宝贵资源。这些“真菌盟友”的“化学武器库”——即它们产生的各种具有生物活性的天然产物（次级代谢产物），是它们发挥作用的关键。然而，我们对这些真菌究竟能合成哪些化学物质、其背后的“生产图纸”（生物合成基因簇，BGCs）又是什么，所知甚少。发表在《Nature Chemical Biology》上的这项研究，就像一位“真菌化学勘探家”，对禾本科真菌的生物合成能力进行了一次前所未有的全面普查，旨在揭示其隐藏的化学宝藏，为开发新一代可持续农业病虫害防控策略铺平道路。
为了系统探索禾本科真菌的天然产物潜能，研究人员整合了多种前沿技术。首先，他们构建了一个包含87个菌株（代表62个物种）的资源库，这些菌株基于已知的生物防治活性、分类学代表性及可获得性筛选而来。研究通过高通量基因组测序、组装与注释，获得了菌株的基因组信息。随后，利用生物信息学工具antiSMASH对基因组进行生物合成基因簇（BGC）的挖掘与注释。在代谢物分析方面，采用“一株菌，多种条件”（OSMAC）的培养策略诱导产物产生，并通过超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）进行非靶向代谢组学分析，利用全球天然产物社会分子网络（GNPS）等平台对质谱数据进行处理、分子注释和分子网络构建。关键的整合分析是通过系统基因组学与代谢组学数据的关联（即代谢物-基因组学，metabologenomics），将检测到的分子与基因组中预测的BGCs联系起来。最后，为了破解“沉默”的BGCs，研究采用了合成生物学策略，将候选的非核糖体肽合成酶（NRPS）样合成酶基因在模式酵母Saccharomyces cerevisiae中进行异源表达，以验证其功能并发现新产物。
研究结果
菌株收集与基因组分析
研究人员收集了87个菌株，涵盖禾本科的7个主要科。通过系统基因组学分析确认了它们的分类学地位，并完成了基因组测序与注释，为后续的生物合成潜能调查奠定了资源基础。
天然产物的基因组挖掘、BGC多样性及分布分析
通过对87个菌株基因组的挖掘，共鉴定出5221个生物合成基因簇（BGCs）。其中，非核糖体肽合成酶（NRPS）相关的BGCs最为普遍（占28%），其次是聚酮合酶（PKS， 21.5%）以及NRPS-PKS杂合BGCs（23%）。经过人工注释，仅有约20%（1034个）的BGCs能与已知产物关联，这意味着约80%的禾本科真菌BGCs编码未知产物，揭示了其巨大的未开发潜力。
禾本科真菌化学多样性的表征
通过多条件培养和代谢组学分析，从菌株提取物中注释了104个化合物，并将其与23个基因簇家族（GCFs）相关联。其中许多化合物，如 beauvericin、efrapeptin等，已被报道具有杀虫或抗真菌活性。研究还发现了一些先前未在禾本科真菌中报道过的分子，如具有杀虫活性的rugulosin。大多数检测到的化合物（61%）是NRPS衍生产物。
通过系统基因组学和代谢物-基因组学方法揭示的生物合成途径
研究重点解析了几类重要分子的生物合成。例如，对吡啶酮类化合物（真菌中丰富的BGC类型）的代谢物-基因组学分析，成功将其离子信号与BGCs关联，并划分了三个进化分支。此外，研究针对两个缺乏已知生物合成途径的肽类分子——脱硫仲丝裂素（dethiosecoemestrin）和efrapeptin，鉴定了候选BGCs并提出了生物合成机制假设。特别是对脱硫仲丝裂素，通过同位素标记喂养实验证实了其核心由两个苯丙氨酸单元构成，并通过在酵母中异源表达其关键NRPS基因（dseA），检测到了预期的双环苯丙氨酸二酮哌嗪中间体，为BGC与产物的关联提供了实验支持。
破译隐性BGCs的策略
面对大多数BGCs在实验室条件下“沉默”的挑战，研究人员选择了针对性的异源表达策略。他们从不同菌株中挑选了四个编码NRPS样合成酶的隐性BGCs关键基因，在酿酒酵母中进行表达。结果成功产生了已知化合物peramine（一种昆虫取食抑制剂）的类似物、已知化合物microperfuranone（或异构体），以及一个结构全新的、推测为喹啉生物碱-法尼基杂合的萜类化合物（meroterpenoid）。这项工作证明了利用简单的酵母表达系统来表征这类合成酶并发现新产物的可行性。
结论与讨论
本研究通过对禾本科真菌大规模的系统基因组学与代谢组学整合分析，绘制了其宏大的生物合成潜能图谱。研究最核心的结论是，禾本科真菌蕴藏着极其丰富的、未被鉴定的天然产物资源，超过80%的生物合成基因簇（BGCs）是“孤儿”或“沉默”的。通过建立的代谢物-基因组学工作流程，研究成功将部分BGCs与已知生物活性分子相关联，并推测了如脱硫仲丝裂素等分子的生物合成途径。更重要的是，通过异源表达策略，研究直接验证了从隐性BGCs中发现新化合物的可行性，包括重新发现已知活性分子和推定新结构。
这些发现具有多重重要意义。首先，它系统性地揭示了禾本科真菌作为生物防治剂背后的化学物质基础，为筛选高效菌株和识别新型活性分子提供了基因组和化学层面的路线图。其次，将分子与其BGCs关联，有助于通过合成生物学手段实现这些化合物的异源生产与优化，克服天然菌株产量低、培养难的问题。最后，通过分析BGCs在不同物种间的分布，可以间接推测这些天然产物在真菌-宿主互作（如共生、抗虫）中的生态功能，加深对生物防治机制的理解。
总之，这项工作不仅为禾本科真菌的生物合成能力建立了详实的资源库，更重要的是展示了一套整合基因组学、代谢组学与合成生物学的有效工作流程，用以挖掘微生物中隐藏的化学多样性。尽管在分子注释的准确性、隐性BGCs的激活等方面仍面临挑战，但本研究无疑为加速发现和开发用于可持续农业的新型、安全、高效的天然源农药奠定了坚实的基础，指明了从基因组宝藏到绿色农药的转化路径。
