病原細(xì)菌通過(guò)劫持寄主代謝解決“卡脖子”問(wèn)題
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病原微生物引起的病害一直是人類(lèi)馴化和栽培植物的漫長(zhǎng)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(ài)爾蘭人口減少了四分之一。進(jìn)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(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化過(guò)程中形成了復(fù)雜的互作機(jī)制，沒(méi)有硝煙的攻防戰(zhàn)每時(shí)每刻都在發(fā)生。盡管植物通過(guò)“主動(dòng)”+“被動(dòng)”的多層級(jí)防衛(wèi)系統(tǒng)可以抵御絕大部分病原菌的進(jìn)攻，無(wú)奈“道高一尺，魔高一丈”，病原菌不斷進(jìn)化出新的武器突破防線(xiàn)，引起病害。效應(yīng)蛋白（effectors）是病原菌侵染寄主過(guò)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(gè)蛋白組成的跨膜通道，稱(chēng)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(chēng)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(guò)程中將其彈藥庫(kù)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(jìn)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(tuán)隊(duì)以青枯雷爾氏菌（Ralstonia solanacearum）為研究對(duì)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(guò)劫持寄主細(xì)胞中的谷氨酸代謝，促進(jìn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，揭示了植物病原細(xì)菌侵染的新機(jī)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(gè)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(jì)損失。青枯雷爾氏菌中已知有70多個(gè)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(gè)）。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(shí)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(gè)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(jìn)一步，研究人員通過(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。RipI促進(jìn)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(yíng)養(yǎng)，使其可以在寄主植物組織內(nèi)迅速擴(kuò)充隊(duì)伍，最終導(dǎo)致植物的枯萎。青枯雷爾氏菌對(duì)寄主產(chǎn)生的GABA十分依賴(lài)，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(méi)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(guò)程來(lái)滿(mǎn)足需求呢？原來(lái)，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(qiáng)大的青枯雷爾氏菌恰恰沒(méi)有該基因。為解決這一“卡脖子”的問(wèn)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(jī)制模式圖
殘酷的自然法則下，青枯雷爾氏菌通過(guò)精妙的策略，在與寄主的戰(zhàn)爭(zhēng)中取得階段性勝利。然而，站在人類(lèi)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(gè)容易被病原菌利用的靶點(diǎn)，同樣為抗病育種學(xué)家選育新的抗病品種指出了一個(gè)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。
