葡萄枝幹病（Grape Trunk Disease，GTD）在世界各地葡萄種植區廣泛發生，每年造成超過 15 億美元的經濟損失。僅在加利福尼亞州，與 GTD 相關的年度損失就佔所生產釀酒葡萄總價值的 14%。
GTD 是一類危害葡萄枝幹的真菌性病害，主要包括葡萄衰枯病（Esca）、葡萄潰瘍病（Botryosphaeria Dieback）、葡萄頂枯病（Eutypa dieback）、葡萄蔓枯病（Diaporthe dieback）和葡萄黑根病（Black Foot Disease）等五類。
導致 GTD 的病原真菌十分複雜，往往數種真菌共同作用，主要包括 Botryosphaeriaceae、Phaeomoniellaceae 等 9 個科中 32 個屬（如 Botryosphaeria、Phaeoacremonium、Eutypa、Diatrype），其致病機制仍有許多未解之謎。
這些病原體主要通過修剪傷口感染枝幹，通常攻擊較老、成熟的葡萄藤；而後在其中定植，導致藤蔓壞死、變色、維管束感染和腐爛。受影響的葡萄藤在外部表現出各種症狀，如發芽延遲、枯萎、果實發育遲緩等。葡萄藤最初生產力下降，嚴重者最終會徹底死亡。
雪上加霜的是，具有控制 GTD 潛力的殺菌劑（如用於抵抗 Esca 的亞砷酸鈉或8-羥基喹啉）由於其毒性，歐洲已禁止使用，而目前並沒有有效的控制方法。
深入瞭解多種真菌病原的複合體導致 GTD 的致病機理，以此開闢控制這項疑難雜症的潛在方法，是亟待解決的問題。
最近，由馬薩諸塞大學阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）領導的一組跨國研究揭示了一種以前未知的 GTD 致病機制，值得慶幸的是，據此，一個相當簡單、具有成本效益的解決方案可能即將出現。
這項成果以題為“Oxygen Radical-Generating Metabolites Secreted by Eutypa and Esca Fungal Consortia: Understanding the Mechanisms Behind Grapevine Wood Deterioration and Pathogenesis”的文章發表在 Frontiers in Plant Science。該研究得到美國農業部 USDA-NIFA Hatch Multistate 項目、馬薩諸塞大學阿默斯特分校微生物學系、法國/歐洲VitEST項目、上阿爾薩斯大學葡萄生物技術與環境實驗室以及意大利佛羅倫薩大學農業、食品、環境和林業科學技術系的支持。
真菌通過傷口進入葡萄藤內部後，通過降解木本植物的纖維素和木質素導致藤蔓潰瘍腐爛。然而降解堅韌的纖維素和木質素並非易事。真菌如何對其降解，一直以來令科學家感到困惑。馬薩諸塞大學阿默斯特分校微生物學教授、該論文的作者 Barry Goodell 說，“木本組織降解的機制是理解由真菌產生的小化合物如何作用於葡萄藤的關鍵。”
根據先前的實驗，引起 GTD 的真菌會產生不同類型的小化合物，這些化合物被釋放到葡萄藤木本組織，其中一種化合物負責還原鐵。通常，鐵以化合物的形式存在，從 Fe2+ 氧化到 Fe3+ 的過程為木質組織降解奠定了基礎。
該研究據此設計了以下實驗：選取導致 Eutypa dieback 和 Esca 兩種常見 GTD 的三種病原真菌（分別為 Phaeomoniella chlamydospora、Phaeoacremonium minimum 和 Eutypa lata），研究其代謝組在產生氧自由基方面的作用，而這些氧自由基可能在木質降解中發揮作用。
實驗結果表明，一些代謝物優先還原鐵，而另一些代謝物則參與氧化還原循環以產生過氧化氫。這些具有不同功能的代謝物組合既可以在單獨培養的一種真菌中產生，亦可以在不同種類真菌的混合培養中產生。
“但這還不是故事的全部，”Goodell 說，“我們還發現，真菌複合物還會產生另一組小化合物，這些化合物非常擅長產生過氧化氫。當過氧化氫遇到還原鐵時，反應釋放出大量氧自由基，破壞木質組織，導致幾乎癌症樣的疾病。”
▲圖 | 原位生成 Fe2+ 和過氧化氫以及 GTD 真菌降解木質素和細胞壁大分子的可能機制（來源：[1]）
簡而言之，每種真菌都產生這種胞外“炸彈”所需的兩種類型的小化合物之一，小化合物混合起來，“炸開”葡萄藤細胞的纖維素壁。一旦細胞壁被破壞，真菌就可以“享用”富含糖分的液體，而這種液體正是支持葡萄藤自身生長的細胞結構。
與此同時，螯合劑介導的 Fenton（CMF）這一化學過程由真菌代謝物促進，允許產生高活性羥基自由基，進一步加速降解過程。
幸運的是，有一個潛在的解決方案可能抵抗這一降解過程：抗氧化劑和低毒性螯合劑。它們也會中斷還原鐵和過氧化氫的產生過程，還能清除真菌產生的氧自由基，通常作為食品添加劑以保持食品新鮮。Goodell 指出，“某些細菌和真菌會產生這些抗氧化劑和螯合化合物。我們的研究表明，通過增加葡萄藤上這些拮抗生物的存在，可以通過生物控制的方法來阻止 GTD。”
這項研究代表了對於理解 GTD 這種葡萄園常見毀滅性疾病以及控制該疾病的最新突破。該研究組將繼續與不同國家的葡萄園合作，繼續探究致病機理與生物控制策略。