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辛秀芳研究组发现病原菌效应因子操纵植物ABA激素通路促进侵染的新机制

日期:2022-03-13  访问次数:817

        自然界中,各种病原菌的入侵严重威胁植物健康和粮食安全,了解病原菌侵染的机制,对于控制病害发生具有重要意义。多年以来的植物-病原菌互作分子机制的研究发现,病原菌在与植物互相博弈过程中,进化出了多种致病武器,其中III型分泌系统(Type III Secretion System,T3SS)能够将病原菌的效应因子蛋白(Effector)分泌到植物细胞内(或细胞间隙),通过抑制宿主免疫或者干扰宿主细胞内正常的生理过程,来促进其侵染。之前的研究表明,一些效应因子如丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)分泌的AvrE、HopM1及黄单胞杆菌(Xanthomonas gardneri)分泌的AvrHah1,能够诱导植物叶片产生水渍(water soaking),使得胞间质变成一种利于病原菌生长的、水分充足的环境,从而促进病原菌的侵染。而自然界中,人们在很多植物病害发生过程中都观察到了这种水渍现象,说明诱导水渍产生可能是一种被不同病原微生物广泛利用的侵染策略。之前的研究表明,黄单胞杆菌产生的AvrHah1靶向宿主的bHLH转录因子从而上调了果胶裂解酶的表达,导致胞间质渗透势增强、从环境中吸水进而产生水渍;而丁香假单胞菌效应因子AvrE、HopM1诱导水渍产生的机制仍不清楚。

  2022年3月5日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳研究组在Cell Host & Micobe上发表了题为“Bacterial effectors manipulate plant abscisic acid signaling for creation of an aqueous apoplast”的研究论文。该研究发现丁香假单胞菌的效应因子AvrE通过靶向植物的TOPP-SnRK2模块,上调植物的ABA信号、诱导气孔关闭,从而促进了叶片水渍的产生和病原菌的侵染。

  该项研究从效应因子AvrE在植物细胞内的互作蛋白(AvrE的潜在靶标)入手,首先发现AvrE能够与植物I型磷酸酶(Type One Protein Phosphatase, TOPP)互作,之后通过CRIPSR-Cas9技术获得了TOPP家族的多突变体。其中五突变体topp12537在高湿条件下(无病原物侵染时)在叶片上出现水渍的表型,且在病原菌侵染之后和野生型拟南芥Col-0相比也表现出更强的水渍,因此在丁香假单胞菌DC3000菌株侵染时更加感病。敲除两个效应因子的avrE-/hopM1-菌株相比野生型DC3000,对拟南芥的侵染能力大大下降,而TOPP1/2/3/5/7的突变能部分回补avrE-/hopM1-的侵染能力。而另外两个突变组合topp12546topp12589并没有表现出水渍或病原菌侵染相关的表型。说明TOPP家族的部分蛋白参与了AvrE介导的毒性功能。此外,topp12537植物还表现出种子萌发和子叶展开延迟、气孔开度减小等脱落酸(Abscisic acid, ABA)信号上调的表型,这与之前报道TOPP负调控植物ABA信号的结果一致,说明AvrE可能靶向植物TOPP而干扰植物ABA信号的调控。之前的研究表明TOPP能够抑制ABA信号过程中的关键激酶SnRK2(Sucrose non-fermenting 1-Related protein Kinase 2s)的活性,当ABA信号激活时,SnRK2活性位点S175的磷酸化(表征其激酶活性)显著增强。辛秀芳研究组的这项研究中通过体外激酶实验发现TOPP1/2/5/3/7能够在不同程度上抑制SnRK2的S175位点磷酸化,与之前研究结果一致。更有意思的是, AvrE的加入能够解除TOPP对SnRK2磷酸化的抑制。进一步通过烟草和拟南芥中的体内实验,证明了在植物体内AvrE确实能够上调SnRK2的磷酸化。最后该研究证明了在DC3000侵染过程中,能够诱导ABA的积累、ABA响应基因的表达上调,以及促进气孔关闭,并且这些过程都依赖于AvrE/HopM1效应因子。同时,用病原菌侵染ABA合成缺陷突变体以及下游信号通路的突变体植物,发现ABA相关的突变体中,水渍减弱、抗病性增强,进一步证明了ABA信号途径对于水渍产生和AvrE/hopM1毒性功能的重要性。该研究阐述了植物的ABA通路除了介导对干旱等非生物胁迫的抗性,也在植物-病原物互作过程中扮演重要角色,可以被病原物“劫持”和“利用”、改变叶片水分状态而促进侵染。

  中科院分子植物科学卓越创新中心博士生胡叶舟、丁彦霞为共同第一作者,蔡博莹、袁民航、万诗伟、吴婧妮参与了此工作。辛秀芳研究员为通讯作者。此工作与中科院分子植物科学卓越创新中心植物逆境生物学研究中心赵杨研究员以及秦晓惠博士合作完成。该工作得到了中科院分子植物科学卓越创新中心、植物分子遗传国家重点实验室、中国科学院、国家自然科学基金委等的资助。

  论文连接:https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(22)00088-9