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上海Alberto Macho团队研究病原细菌通过劫持寄主代谢解决“卡脖子”问题

科界 07月31日

来源:iNature

iNature

许多细菌性植物病原体采用III型分泌系统将效应蛋白注入植物细胞内,从而抑制植物免疫力。效应蛋白是否以及如何共同吸收植物代谢以支持广泛的细菌复制仍是一个悬而未决的问题。2020年7月30日,中国科学院上海植物逆境生物学研究中心Alberto Macho团队在Cell Host & Microbe 在线发表了题为“A bacterial effectorprotein hijacks plant metabolism to support bacterial nutrition”的研究论文,该研究显示了茄科劳尔氏菌(Ralstonia solanacearum)是细菌性枯萎病的病因,它分泌效应蛋白RipI,该蛋白与植物谷氨酸脱羧酶(GADs)相互作用以改变植物的代谢并支持细菌的生长。 GAD被钙调蛋白激活并催化γ-氨基丁酸(GABA)的生物合成,γ-氨基丁酸是植物和动物中的重要信号分子。RipI促进GAD与钙调蛋白的相互作用,从而提高GABA的产生。青枯菌能够使用GABA作为营养素有效复制。这项工作揭示了一种劫持植物新陈代谢的致病策略,以支持植物定居过程中支持微生物生长的营养素的生物合成。另外,2020年7月28日,中国科学院上海植物逆境生物学研究中心Alberto Macho研究组在Nature communications 在线发表了题为“An immune receptor complex evolved in soybean to perceive a polymorphic bacterial flagellin”的研究论文,该研究揭示大豆进化出了能够感知青枯菌鞭毛蛋白的受体,这是植物-细菌协同进化的一个典型案例。


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由细菌病原体引起的疾病威胁着全球粮食安全。茄科劳尔氏菌是一种土壤传播的细菌病原体,能够在250多种植物中引起疾病,包括重要的农作物,如番茄,马铃薯,辣椒和香蕉,对全世界的农作物造成严重损失。刺入根中的茄科劳尔氏菌在寄主植物的木质部脉管中定植并大量复制,最终导致植物枯萎和死亡。
与其他革兰氏阴性细菌病原体相似,茄科劳尔氏菌需要III型分泌系统才能将效应蛋白注入宿主细胞并引起疾病。III型效应子(T3Es)在抑制植物免疫力中的活性已被充分证明,尽管对操纵宿主微环境以支持病原性生活方式的了解还很少。
根据细菌的感知,防御反应包括限制营养从胞质溶胶向质外体的转移,以限制细菌的繁殖,表明营养物质的生物合成和分配对于植物与细菌相互作用的结果至关重要。有趣的是,尽管木质部汁液比韧皮部汁液或叶质外体液的有机碳来源普遍较差,但茄科劳尔氏菌能够快速复制并在木质部中达到高细胞密度,这意味着存在额外的毒力活动来破坏宿主的营养代谢或运输。

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文章模式图(图源自Cell Host & Microbe )

茄科劳尔氏菌分泌超过70种T3E进入植物细胞。该数目明显高于其他经过充分研究的细菌病原体中通常存在的T3E数目(丁香假单胞菌或Xanthomonas菌株中为15–40)。茄科劳尔氏菌利用的T3E的多样性与其广泛的生态多样性,多功能性以及在不同植物器官(例如根,茎和叶)中定殖的能力有关。有趣的是,这些T3E中有几个在其他病原体中没有同系物,这表明它们仅在茄科劳尔氏菌中进化。这些排他的T3E之一RipI在大多数测序的茄科劳尔氏菌中都是保守的,这表明其对细菌毒性的重要性,尽管其对感染的实际作用尚未确定和表征。
在这项工作中,研究人员发现RipI对拟南芥和番茄植物中疾病的发展均具有重要作用。该研究显示,RipI与植物谷氨酸脱羧酶相互作用,导致γ-氨基丁酸(GABA)升高,而茄科劳尔氏菌可在感染过程中使用该氨基酸作为营养素,从而揭示了一种致病性策略来操纵植物代谢以支持细菌营养。
中国科学院上海植物逆境生物学研究中心博士研究生鲜刘和博士后余刚博士为该论文并列第一作者,Alberto Macho研究员为该论文通讯作者。这项研究得到了中国科学院和国家自然科学基金的大力资助。

细菌 植物 劳尔氏菌

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