共生固氮中的NCR肽在抗真菌中的作用机制学术资讯

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紫花苜蓿是一种IRLC（ inverted repeat-lacking clade ）分支的模式豆科植物，可以与革兰氏阴性菌Sinorhizobium meliloti形成固氮内共生关系，因此对农业生产至关重要。这种共生关系会在植物根部形成非定型根瘤并且该过程取决于宿主及其共生细菌之间的信号交换。研究表明，在内吞进入固氮根瘤细胞质后，根瘤细菌会发生不可逆的分化并形成增大的多倍体类杆菌。该终末分化过程是由根瘤发育过程中的具有保守半胱氨酸特征的约700个NCR（nodule-specific cysteine-rich）肽介导的，并且NCR肽的缺失会抑制共生固氮关系的建立【1,2】。

NCR肽的主要特征是存在四个或六个保守的半胱氨酸，并参与形成两个或三个分子内二硫键。这些NCR肽中预测的二硫键结合模式与哺乳动物的防御素相似，而且类防御素NCR肽在体外表现出对共生根瘤菌和革兰氏细菌的强抗菌活性。比如高浓度NCR247对共生根瘤菌有抗菌活性而低浓度条件下则具有诱导作用【3】。此外，最近的临床医学研究表明大部分阳离子NCR肽比如NCR044具有抗人体真菌白色念球菌的潜力【4】，但是目前并不了解这些肽在真菌细胞中的亚细胞定位和细胞内靶点。在紫花苜蓿及其他IRLC豆科植物中的根瘤中也发现了序列异质性的阳离子NCR肽，但是它们与真菌病原体的结构-活性关系及作用机理尚不清楚。

近日，美国Donald Danforth Plant Science Center Dilip M. Shah研究组在PNAS在线发表了一篇题为Antifungal symbiotic peptide NCR044 exhibits unique structure and multifaceted mechanisms of action that confer plant protection的研究论文，揭示了NCR044肽的结构及其抗真菌的作用机制。

该研究首先在紫花苜蓿基因组中鉴定编码NCR044的同源基因，NCR044和NCR473，并且发现它们在非定型根瘤发育过程中表达。进一步对NCR044的NMR结构分析发现，其NMR结构与其他特征鲜明的植物抗真菌肽大不相同，NCR044具有一个四个残基的α-螺旋和一个三个残基的反向平行β折叠。此外，尽管NCR044结构中有两个二硫键起固定作用，但这种独特的结构在很大程度上是无序的且高度动态。

对NCR044肽的功能分析发现，NCR044肽对多种植物真菌病原体（包括灰葡萄孢菌和三种镰刀菌）均有有效的杀菌活性。在灰葡萄孢菌中的进一步的研究表明，NCR044肽主要通过破坏真菌的质膜通透性并诱导了活性氧及氧化应激反应而抑制孢子生殖。该研究发现，NCR044可以与真菌细胞壁和细胞膜结合，并与质膜磷脂相互作用，从而侵入或内吞进入细胞质中，并最终在细胞核中积累。该研究最后还在收获后的莴苣叶和玫瑰花瓣以及生长中的番茄和烟草中验证了NCR044肽的作用，发现NCR044喷施可以提高这些植物对灰霉病的抗性，充分表明NCR044作为肽类杀菌剂的潜力。

Translocation of exogenous NCR044 into B. cinerea cells

总之，该研究揭示了NCR044的三维结构特征及其在抗真菌病原体中的作用机制，该研究为NCR肽类喷雾抗真菌产品的开发奠定了基础。

参考文献【1】J. Montiel et al., Morphotype of bacteroids in different legumes correlates with the number and type of symbiotic NCR peptides. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, 5041–5046 (2017)【2】M. Kim et al., An antimicrobial peptide essential for bacterial survival in the nitrogen-fixing symbiosis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112, 15238–15243 (2015)【3】A. Farkas, G. Maróti, A. Kereszt, É. Kondorosi, Comparative analysis of the bacterial membrane disruption effect of two natural plant antimicrobial peptides. Front. Microbiol. 8, 51 (2017【4】L. Ordögh, A. Vörös, I. Nagy, E. Kondorosi, A. Kereszt, Symbiotic plant peptides eliminate Candida albicans both in vitro and in an epithelial infection model and inhibit the proliferation of immortalized human cells. BioMed Res. Int. 2014, 320796 (2014).

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