通过阻断病原体的食物供应链来控制植物疾病

《Phytopathology Research》：Controlling plant diseases by blocking pathogen food supply chain

水稻中过表达XanP基因通过阻断病原菌营养吸收机制使其抗 bacterial leaf streak disease，AvrBs2效应蛋白催化xanthosan合成并介导其跨膜运输。

　　

摘要

虽然植物病原体依赖宿主获取养分，但它们获取这些养分的具体方式仍不清楚。最近，Wang等人发现，细菌III型效应蛋白AvrBs2具有黄原胶合成酶的功能，能够将尿苷5'-二磷酸-α-D-半乳糖转化为一种名为双(1,6)-环状二聚体α-D-半乳糖-磷酸（即黄原胶）的糖类磷酸二酯。当黄原胶从植物细胞质释放到细胞外空间时，Xanthomonas属细菌会通过XanT转运蛋白将其吸收，并利用XanP磷酸二酯酶将其分解作为营养来源。在水稻中过表达XanP可以阻断Xanthomonas oryzae pv. oryzicola（Xoc）的养分供应，从而使作物对细菌性叶条纹病具有抗性。

植物病原体（如真菌、卵菌、细菌和线虫）依靠其传递到植物细胞中的致病效应蛋白来引发疾病（Toru?o, Stergiopoulos和Coaker 2016）。这些效应蛋白主要抑制植物的免疫系统，从而增强病原体的致病性（Block等人2008）。为了抵御病原体的感染，植物建立了两层防御机制（Jones, Staskawicz和Dangl 2024）。植物防御系统的第一阶段依赖于细胞表面模式识别受体，这些受体能识别病原体特有的分子——病原相关分子模式（PAMPs）。这一过程会触发PAMP诱导的免疫（PTI）。然而，适应性强的病原体会向植物细胞分泌效应蛋白以破坏PTI，导致效应蛋白诱导的易感性。作为回应，植物进化出了核苷酸结合的亮氨酸富集重复蛋白（NLRs）来识别这些效应蛋白并启动效应蛋白诱导的免疫（ETI）。此外，植物激素（如水杨酸SA和茉莉酸JA）也是植物防御机制的重要组成部分（Fu和Dong 2013）。研究表明，病原体效应蛋白能够干扰所有这些防御系统，包括PTI、ETI以及与SA和JA途径相关的防御机制（Block等人2008；Toru?o, Stergiopoulos和Coaker 2016；Qi等人2018；Jones, Staskawicz和Dangl 2024）。

除了抑制植物免疫反应外，病原体效应蛋白还参与支持病原体的养分吸收。Xanthomonas属细菌利用TAL效应蛋白与宿主SWEET（糖类最终会被转运蛋白输出）基因的启动子结合并激活它们（Boch等人2009）。结果，大量糖类转运蛋白被产生，并释放到细胞外空间以滋养细菌。AvrE被确定为Pseudomonas syringae致病菌株中一类保守的III型效应蛋白的初始成员，这对成功感染至关重要（Herold等人2025）。后续研究表明，AvrE在植物细胞膜中充当一种新型通道，允许水和溶质从细胞质转移到细胞外空间（Nomura等人2023）。这会在细胞外空间形成富含养分和液体的环境，有利于细菌繁殖。

尽管在揭示植物病原体效应蛋白的功能方面取得了显著进展，但许多效应蛋白的分子功能仍不清楚。例如，AvrBs2存在于Xanthomonas属细菌中，包括木薯枯萎病病原体X pv. manihotis、水稻叶条纹病病原体X pv. oryzicola以及辣椒和番茄叶斑病病原体X euvesicatoria（Wang等人2025）。作为关键的致病因子，AvrBs2在抑制PTI反应（如活性氧ROS的产生和致病相关（PR）基因的表达）中起重要作用（Li等人2015）。值得注意的是，AvrBs2与其他22种效应蛋白不同，其敲除突变体在感染水稻时表现出明显的缺陷（Li等人2015）。尽管AvrBs2在抑制植物免疫反应中很重要，但其分子功能多年来一直不明确。最近发表在Science上的一项研究揭示了这一长期未解之谜（Wang等人2025）。

先前的一项研究在AvrBs2中鉴定出一个潜在的甘油磷酸二酯酶结构域（GDE），该结构域对其致病功能至关重要（Zhao等人2011）。然而，相应的酶活性及其产物尚未得到验证。Wang等人的系统发育分析表明，AvrBs2的同源物属于一个独特的分支，与标准的GDE亚家族蛋白不同（Wang等人2025）。值得注意的是，AvrBs2与农杆菌素合成酶具有密切的进化关系，后者能生成由糖和L-阿拉伯糖组成的磷酸二酯化合物农杆菌素A。基于这一发现，Wang等人提出AvrBs2可能参与生成某种糖类磷酸二酯化合物。他们使用薄层色谱法并应用二苯胺-苯胺-磷酸试剂对病变叶片进行染色（Bailey和Bourne 1960），在野生型Xoc感染的叶片中检测到了这种潜在的糖类化合物，但在Xoc的avrBs2缺失突变体或III型分泌/转运缺陷突变体感染的叶片中未检测到。作者将这种糖类化合物命名为“黄原胶”。

为了确定黄原胶的结构，Wang等人对其进行了纯化。通过核磁共振（NMR）和质谱分析，确认黄原胶为双(1,6)-环状二聚体α-D-半乳糖-磷酸（Wang等人2025）。AvrBs2酶在植物细胞内将尿苷5'-二磷酸-α-D-半乳糖转化为黄原胶（图1）。黄原胶从植物细胞释放到细胞外空间（图1a），Xanthomonas细菌通过XanT转运蛋白吸收它，并进一步利用XanP磷酸二酯酶将其分解为半乳糖-1-磷酸作为营养来源。进一步研究表明，植物细胞无法降解黄原胶。因此，黄原胶可能是Xanthomonas细菌的特异性营养来源。

图1

细菌III型效应蛋白AvrBs2促进病原体获取养分，同时通过在水稻中表达XanP来阻碍其吸收。a 水稻细菌性叶条纹病病原体Xoc通过III型分泌系统（T3SS）将III型效应蛋白AvrBs2传递到植物细胞内。AvrBs2作为黄原胶合成酶，在植物细胞质中将UDP-半乳糖转化为双(1,6)-环状二聚体α-D-半乳糖-磷酸（黄原胶），然后通过转运蛋白XanT将其输出到细胞外空间并重新导入细菌体内（紫色通道）。随后，细菌蛋白XanP将其进一步代谢为半乳糖-1-磷酸（Gal-1-P），为病原体提供营养。因此，表达XanP的水稻表现出对Xoc的易感性，出现典型的叶条纹症状。b 通过在水稻中表达XanP来获得对细菌性叶条纹病的抗性。尽管AvrBs2仍被传递到植物细胞内，但细菌获取养分的后续步骤被阻断。在UDP-半乳糖转化为黄原胶后，表达XanP的水稻不会将其输出到细胞外空间；相反，半乳糖-1-磷酸在细胞质中由XanP生成。因此，X. oryzae pv. oryzicola无法获得黄原胶衍生物，导致细菌缺乏养分，从而限制了其繁殖，使水稻产生抗性。

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这些重要信息如何启发针对Xanthomonas属引起的植物疾病的创新策略？Wang等人推测，阻断AvrBs2的养分吸收可以控制水稻细菌性叶条纹病（Wang等人2025）。为此，他们培育了过表达XanP的转基因水稻（图1b）。表达XanP的水稻能有效分解细胞内的黄原胶，防止Xoc利用它。这些植物在接触多种Xoc菌株时表现出较短的病斑长度，表明其抗性是非种族特异性的。由于XanP的酶活性，表达XanP的水稻体内黄原胶积累量非常低。然而，表达XanP的水稻在农艺性状（如株高、叶宽、分蘖数、籽粒大小和百粒重）方面与野生型相似。

自1990年发现以来，AvrBs2的分子功能一直困扰着研究人员（Wang等人2025）。在这篇论文中，Wang等人证明了AvrBs2、XanT和XanP共同参与Xanthomonas属细菌的养分获取过程（图1a）（Wang等人2025）。更重要的是，作者提出了一种有效策略，通过在水稻中表达XanP蛋白来阻断Xoc对黄原胶的吸收（图1b）。这一策略也可用于控制其他由Xanthomonas引起的重大疾病，如木薯枯萎病和柑橘溃疡病。值得注意的是，类似AvrBs2的蛋白质也在人类和其他动物的主要细菌病原体（如Salmonella enterica和Pasteurella multocida）中发现，表明细菌与宿主的相互作用可能存在统一机制（Wang等人2025）。

长期以来，植物依靠限制养分来抵御入侵的病原体。例如，一些抗病水稻品种通过改变DNA中的启动子序列来适应（Oliva等人2019）。这些变化阻止了病原体的TAL效应蛋白与修饰后的启动子结合，使糖类转运蛋白保持失活，从而限制了细菌的养分来源。在效应蛋白诱导的免疫（ETI）反应中引发的局部过敏反应（HR）是另一种机制（Wu等人2014）。通过牺牲部分细胞，植物创建了一个无活组织或养分的“贫瘠”区域，阻止了生物营养型病原体（以活细胞为食）的传播。除了这些天然防御机制外，科学家们还设计了其他方法来阻断病原体的养分供应。例如，PAMAM G1作为一种强效抑制剂，可以成功抑制Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000引起的细菌斑点病和Erwinia amylovora引起的梨火疫病（Nomura等人2023）。未来，可能会发现或开发出更多创新和有效的策略来限制病原体依赖的养分，从而减少它们对植物的影响。