植物—病原菌互作新机制！邓新团队揭示植物病原菌感受多酚类化合物的分子机理

    丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae) 是一类革兰氏阴性的植物病原菌，因其病害分布地区广泛，并且能感染多种经济农作物（例如：玉米、烟草、番茄和豆科等），而被普遍认为是世界上最主要的植物细菌病原体之一。

    近年来，丁香假单胞菌引发的疫病不断在世界各国的粮食产区爆发，给世界农业经济造成了巨大的损失，开发针对丁香假单胞菌的绿色、高效的新型生物防治手段已经刻不容缓。

    在此前提下，进一步理解丁香假单胞菌致病机理和与宿主之间相互作用的分子机理，是研发新型生物防治手段的重要基础。

    在侵染宿主的过程中，丁香假单胞菌依赖III型分泌系统（Type III secretion system，以下简称T3SS）将一些毒力蛋白直接注射到植物细胞内，导致宿主感染。

    近年来，香港城市大学邓新课题组针对调控丁香假单胞菌毒力的关键分子机理和调控网络进行了一系列的研究（Nucleic Acids Research, 2014；mBio, 2019; Environmental Microbiology, 2020；Nature Communications, 2020; Cell Reports, 2021）。

    课题组不仅揭示了RhpRS、AefR、Lon、EnvZ-OmpR、CbrAB2和PilRS等多个毒力调控因子的分子机制和特异结合序列，而且构建了名为“PSRnet”的丁香假单胞菌调控网络（Pseudomonas syringae Regulatory network），进一步揭示了丁香假单胞菌复杂的动态毒力调控系统。

    在这些关键调控因子之中，邓新和团队对细菌双组分调控系统RhpRS的研究已经持续了十余年，详细阐明了RhpS作为组氨酸激酶对下游调控蛋白RhpR以及T3SS信号通路的调控机理。

    RhpS作为能够感受外界信号的膜蛋白，可以通过感知外界环境的改变对T3SS和诸多毒力或代谢途径进行调控，在丁香假单胞菌的生长和致病状态之间充当“开关”的重要作用。

    但是，RhpS感受宿主的信号分子仍然未知。

    近日，邓新团队在EMBO Reports上发表了题为 Pseudomonas syringae Senses Polyphenols via Phosphorelay Crosstalk to Inhibit Virulence的研究论文，报道了植物—病原菌互作新机制，揭示了植物病原菌感受多酚类化合物的分子机理。

    在对1600多种植物源天然小分子化合物进行筛选后，研究人员发现了3种多酚类小分子化合物（单宁酸、1,2,3,4,6-五没食子葡萄糖和表没食子儿茶素没食子酸酯）能够显著上调野生型丁香假单胞菌中rhpRS基因的表达，并且对T3SS调控基因hrpL以及诸多T3SS效应蛋白基因的转录有明显的抑制作用。

    而在rhpS突变体中，则没有这种显著效果，这说明多酚化合物是通过RhpS蛋白发挥对T3SS的调控作用。

    体外磷酸化实验发现多酚化合物能够抑制RhpS的磷酸酶和激酶活性，从而影响RhpR调控蛋白的磷酸化水平。

    而在植物体内的感染实验进一步证实了多酚能够抑制丁香假单胞菌的毒力。

    多酚化合物能够直接与RhpS蛋白发生相互作用，并且RhpS的40位脯氨酸是这一作用的关键位点。

    此外，作者还通过体外磷酸化实验筛选到了另外三个能够磷酸化RhpR的激酶（PSPPH_3550，PSPPH_3736和PSPPH_5115）。

    在rhpS突变体背景下进一步突变这三个激酶基因能够部分回补rhpS突变体的表型。

    图1 多酚类小分子化合物通过RhpS激酶抑制丁香假单胞菌III型分泌系统的模型。

    这一研究首次针对丁香假单胞菌和植物间的互作提出了植物多酚-RhpRS-PSPPH_3550/3736/5115-T3SS的信号通路。

    多酚化合物对于帮助植物抵御丁香假单胞菌的侵袭至关重要。

    多酚化合物直接抑制了RhpS的活性，从而使RhpR蛋白被PSPPH_3550/3736/5115磷酸化并一直保持在高度磷酸化水平。

    不断累积的磷酸化RhpR蛋白进一步抑制下游T3SS基因的表达，最终使丁香假单胞菌的致病性降低（图1）。

    该研究发现的机制是对丁香假单胞菌和宿主之间博弈过程的重要补充，对其他植物与病原菌的互作机理研究具有重要的借鉴和参考意义。