新研究：单个效应蛋白的功能研究是否足以破译植物病原菌的感染策略

来源：植物生物学

植物病原菌的效应蛋白是关键的毒力决定因素，它们可以分泌在质外体中或转移到植物细胞内，从而破坏宿主的免疫力和生理功能，从而使病原菌受益。在某些特定的植物中，效应蛋白也可能被植物的免疫受体检测到并引发强烈的特异性抗性。

2020年12月，权威期刊PLOS PATHOGENS发表了法国国家农业食品和环境研究中心（INRAE）Manuel Gonza´lez-Fuente教授团队（Our future begins now！走进法国国家农业食品与环境研究所(INRAE)）的综述论文，题为From effectors to effectomes: Are functional studies of individual effectors enough to decipher plant pathogen infectious strategies?，本研究探讨和综述了当前对植物病原菌效应蛋白的研究方法的局限性及新的研究方法。

当前植物病原菌效应研究的成就和局限性

病原菌的效应蛋白组是其所有效应蛋白的集合体（图1A）。迄今为止，大多数效应蛋白都是单独研究的，因此省略了它们作为效应蛋白组发挥作用的更广泛的背景。效应蛋白组的大小和组成在病原菌之间差异很大，包括在种内水平上，小到从Erwinia amylovora的4种效应蛋白，到线虫和卵菌分离的数百种效应蛋白（图2A）。这些差异会影响病原菌的毒力，生活方式和寄主范围。已知的效应蛋白功能是实验方法结合的结果，通常是低通量，并基于体外或异源系统（图1B，2C和2D）。已经进行了一些效应蛋白规模的筛选，但是这些仍然是单个效应蛋白研究的汇总，因此呈现出与小规模研究相同的局限性。

图1.效应蛋白组实现的功能不仅仅是单个效应蛋白功能的叠加

效应蛋白组内效应蛋白-效应蛋白相互干扰的证据

由于功能冗余，依赖于感染阶段或植物组织的表达模式以及效应蛋白组内部的相互作用，单个效应蛋白的研究本质上忽略了它们的协调功能。因此，效应蛋白组功能通常不是各个效应蛋白功能的总和（图1C），需要专用的实验方法来确定效应蛋白的整体功能。先决条件是了解效应蛋白组组成，实验上可控制的效应蛋白组大小和遗传上可适应的病原菌。因此，得益于强大的基因组编辑工具和效应基因的频繁聚类，可以生成多个效应突变体，在细菌中，效应蛋白组的功能表征在细菌领域是最先进的，并且在真菌或线虫中的发展步伐不断提高。

效应蛋白组功能取决于植物靶标库

为了实现效应蛋白组的功能表征，我们必须考虑效应蛋白功能是宿主依赖性的，因为它们只有在与其植物同源相互作用蛋白结合时才能获得其“功能意义”（图2B）。效应蛋白倾向于靶向多种高度连接的宿主蛋白，但也可能与病原菌或宿主的核酸或代谢产物发生特异性相互作用。因此，一个完整的效应蛋白组的功能在很大程度上取决于宿主的靶标库，以及所提议的其各组分之间的相互作用（图1C）。因此，效应蛋白介导的毒力是由病原菌效应蛋白和易感宿主的靶标蛋白之间相互作用产生的一种新兴特性。因此，应仔细考虑效应基因组和靶基因组的多样性，因为它应揭示病原菌毒力和植物敏感性的分子机制的复杂性和多样性。

解构效应蛋白组的经验教训

效应蛋白多突变体是揭示效应蛋白组和效应蛋白功能的有趣资源。效应蛋白基因必须单独和顺序删除。迄今为止，丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）多突变体DC3000Δ36E是植物病原菌中复杂效应蛋白的唯一已知突变体。在丁香假单胞菌中，这样的效应蛋白突变体不仅在我们对单个效应蛋白的作用的理解中，而且在最重要的是在鉴定功能冗余效应蛋白的定义和成为植物病原菌所需的最小效应蛋白功能的定义方面，都带来了重大发现。为了发挥其全部潜能，我们相信未来的诱变应该针对使用高效工具（例如CRISPR-Cas9）结合自动表型基础设施上的敏感高通量致病性分析的效应蛋白的部分随机解构。

图2.微生物效应蛋白组和植物目标库的多样性影响效应蛋白组的功能

合成效应蛋白组用来了解其如何真正发挥作用

效应蛋白突变体不仅提供了识别无毒力基因的可能性，这种基因可以被其他效应蛋白掩盖，而且可以重建合成的效应蛋白组并测试其功能。必须仔细考虑接收菌株的选择以及在感染测试中要测试的最小效应蛋白组的组成和大小（图2E）。尽管天然的无效应株通常需要引入功能性效应蛋白分泌-转运机制，但效应蛋白突变体可能仍会表达和转运尚未识别的效应蛋白，这可能会干扰合成效应蛋白的表征。由于效应蛋白组之间的功能冗余，功能性合成效应蛋白组只能包括原始效应蛋白组的一部分。只要发生效应蛋白分泌易位，也可以用这种方法研究源自其他菌株，物种的效应蛋白。尽管有时是随机的，但迄今为止，效应蛋白组主要基于基因家族，基因簇或功能类别。然而，合成生物学，下一代测序技术和高通量表型分析方法的结合现在为以最小菌株对其进行测试以及在宿主或非宿主植物上的功能表征（图2F）生成大型随机效应蛋白组提供了途径。阻碍效应基因组鉴定的类似局限性也适用于动物病原菌。尽管这些效应蛋白也是主要的毒力决定因素，并且第一个效应蛋白多突变体是在小肠结肠炎耶尔森氏菌中产生的，但效应蛋白研究在动物病原菌中也极为有限。本文认为应用于效应蛋白的整体遗传学方法将大大推进我们对两个基本问题的理解:病原菌是如何进化和适应新的宿主的？