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康振生教授团队在植物病原真菌蔗糖酶功能研究中取得新进展

        近日,我室康振生教授科研团队在植物科学顶尖期刊《New Phytologist》(IF="7.33)杂志上在线发表了题为 “A unique invertase is important for sugar absorption of an obligate biotrophic pathogen during infection”的研究论文,常青博士与刘杰教授为并列第一作者,康振生教授为通讯作者,相关工作得到了国家重点研发计划、国家“973”计划及高等学校学科创新引智计划等项目的资助。该研究从小麦条锈菌中鉴定获得一个具有锈菌特异性结构的蔗糖酶基因,通过分析该基因在小麦与小麦条锈菌互作过程中的表达特征与功能,阐明了病原真菌与植物互作过程中蔗糖酶水平升高的现象,并进一步揭示了植物病原真菌从寄主获取糖类营养物质的机制。

        蔗糖是植物细胞中最主要的能源物质,然而活体营养专性病原真菌(如锈菌、白粉菌)基因组上不存在蔗糖转运蛋白基因,因此无法直接利用寄主蔗糖,而只能利用蔗糖的水解产物。大量研究表明,在植物受到病原物侵染组织中蔗糖酶活性会显著升高,但是这一变化究竟由来自寄主蔗糖酶还是病原物蔗糖酶引起尚不明确,尤其是在活体营养寄生真菌与寄主互作过程中很难有效区分。尽管大量基因组测序工作表明在不同植物病原真菌中都存在蔗糖酶基因,但是它们在病原真菌侵染寄主植物过程中所起到的具体作用尚未得到证实。

被侵染组织中蔗糖酶活性升高模式图

        在植物被侵染组织中,寄主蔗糖酶活性升高,改变植物体内蔗糖、葡萄糖、果糖的浓度,从而引发植物防卫反应。而病原菌蔗糖酶大量表达,分解寄主蔗糖为自身糖吸收过程提供己糖以满足自身生长发育需要。在病原菌与植物蔗糖酶共同作用下,植物被侵染组织会从本身的源组织被转化成新的库组织,并与植物本身的库组织竞争蔗糖。由此引起植物中蔗糖从库组织流向被侵染组织,扰乱植物正常糖类运输过程,最终对植物正常生长造成影响。

        该研究团队以我国小麦生产上的重大病害—小麦条锈病为研究对象,从小麦条锈菌中克隆得到一个具有锈菌特异性结构的蔗糖酶基因。通过对该基因的表达特征分析发现该基因在小麦条锈菌侵染小麦过程中大量表达并分泌到寄主中。同时该基因所编码的蔗糖酶活性功能也在体内与体外系统得到了充分验证,其所拥有的锈菌特异性结构有利于病原菌与寄主竞争蔗糖。该研究首次在活体营养寄生真菌与寄主互作过程中通过HIGS技术对病原真菌的蔗糖酶功能进行了研究,结果表明该基因对于病原物的生长发育与繁殖都具有不可或缺的作用,也首次发现植物活体营养寄生真菌能通过自身产生并分泌蔗糖酶来分解寄主蔗糖以供应自身能量需要。

        原文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.14666/full