病原細(xì)菌通過劫持寄主代謝解決“卡脖子”問題
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病原微生物引起的病害一直是人類馴化和栽培植物的漫長歷史中揮之不去的魔咒。19世紀(jì)40年代，由于馬鈴薯晚疫病引發(fā)的大饑饉導(dǎo)致愛爾蘭人口減少了四分之一。進入21世紀(jì)，植物病原菌引起的病害每年仍造成全球農(nóng)作物10-30%的減產(chǎn)，嚴(yán)重威脅世界的糧食安全。
植物寄主與病原菌長期協(xié)同進化過程中形成了復(fù)雜的互作機制，沒有硝煙的攻防戰(zhàn)每時每刻都在發(fā)生。盡管植物通過“主動”+“被動”的多層級防衛(wèi)系統(tǒng)可以抵御絕大部分病原菌的進攻，無奈“道高一尺，魔高一丈”，病原菌不斷進化出新的武器突破防線，引起病害。效應(yīng)蛋白（effectors）是病原菌侵染寄主過程中的一種精確制導(dǎo)的重要武器。革蘭氏陰性細(xì)菌的細(xì)胞膜上有一種由多個蛋白組成的跨膜通道，稱為III型分泌系統(tǒng)（T3SS, Type III Secretion System）。經(jīng)T3SS分泌的效應(yīng)蛋白被稱為III型效應(yīng)因子（T3Es, type III effectors）。T3SS如同病原細(xì)菌的“導(dǎo)彈發(fā)射器”，在侵染寄主的過程中將其彈藥庫中的“效應(yīng)蛋白”精準(zhǔn)打入植物細(xì)胞內(nèi)部。通常情況下，進入寄主細(xì)胞中的效應(yīng)蛋白主要干擾植物的免疫系統(tǒng)，幫助病原菌侵染和定殖。
近期，中科院上海植物逆境生物學(xué)中心的Alberto Macho團隊以青枯雷爾氏菌（Ralstonia solanacearum）為研究對象，首次發(fā)現(xiàn)該細(xì)菌產(chǎn)生的III型效應(yīng)因子RipI通過劫持寄主細(xì)胞中的谷氨酸代謝，促進γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）的生物合成，為其在寄主中的繁殖提供營養(yǎng)物質(zhì)，揭示了植物病原細(xì)菌侵染的新機制。
青枯雷爾氏菌是一種土傳植物病原細(xì)菌，引發(fā)植物青枯病。它被認(rèn)為是植物上最具破壞性的病原細(xì)菌，可侵染250多個物種，包括番茄、馬鈴薯、煙草、香蕉、辣椒、茄子等在內(nèi)的多種重要農(nóng)作物，造成巨大的經(jīng)濟損失。青枯雷爾氏菌中已知有70多個III型效應(yīng)因子, 這一數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他植物病原細(xì)菌（約15-40個）。RipI是青枯雷爾氏菌中特有的III型效應(yīng)因子。將該菌中的RipI敲除之后，其在寄主上的致病力顯著降低，同時在寄主木質(zhì)部的繁殖也受到顯著的抑制，而將RipI再次導(dǎo)入突變體中后其在寄主上的毒力和繁殖能力均得到恢復(fù)。這表明RipI是青枯雷爾氏菌中的一個重要的毒力因子（圖1）。
▲圖1 RipI是R. solanacearum中的關(guān)鍵致病因子
進一步，研究人員通過免疫共沉淀和酵母雙雜交等方法發(fā)現(xiàn)RipI可以同植物中的鈣調(diào)蛋白（calmodulin）和谷氨酸脫羧酶（glutamate decarboxylases，GADs）互作。Calmodulin可以激活GAD從而催化GABA的合成，而GABA恰恰是青枯雷爾氏菌繁殖所必須的營養(yǎng)物質(zhì)。RipI促進了GAD與Calmodulin的結(jié)合，加速GABA的合成，從而為青枯雷爾氏菌的繁殖提供了源源不斷的營養(yǎng)，使其可以在寄主植物組織內(nèi)迅速擴充隊伍，最終導(dǎo)致植物的枯萎。青枯雷爾氏菌對寄主產(chǎn)生的GABA十分依賴，當(dāng)將寄主中的GAD基因突變或抑制表達(dá)后，RipI失去了目標(biāo)，沒有了用武之地，病原菌的致病性也隨之降低（圖2）。
▲圖2 寄主GABA是影響R. solanacearum致病力的關(guān)鍵因素
“靠人不如靠己”，GABA如此重要，青枯雷爾氏菌為何要靠劫持寄主的代謝過程來滿足需求呢？原來，多數(shù)細(xì)菌中都存在GAD基因，可以完成GABA的自給自足，而強大的青枯雷爾氏菌恰恰沒有該基因。為解決這一“卡脖子”的問題，采取了“借雞生蛋”的策略，派出RipI劫持寄主代謝，合成GABA（圖3）。
▲圖3 RipI作用機制模式圖
殘酷的自然法則下，青枯雷爾氏菌通過精妙的策略，在與寄主的戰(zhàn)爭中取得階段性勝利。然而，站在人類的角度，病原菌的勝利并不是我們所愿意看到的結(jié)果。本研究揭示了GAD是植物中一個容易被病原菌利用的靶點，同樣為抗病育種學(xué)家選育新的抗病品種指出了一個新的方向。
論文摘要
原文刊載于CellPress細(xì)胞出版社旗下期刊Cell Host & Microbe 上。
