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单卫星教授课题组揭示疫霉菌致病新机制

  卵菌是一类在进化上不同于真菌的丝状真核微生物,包括侵染植物的120余种疫霉菌( Phytophthora ),其中致病疫霉菌( P. infestans )、大豆疫霉菌( P. sojae )和辣椒疫霉菌( P. capsici )均引致作物毁灭性病害,严重影响马铃薯、大豆和茄科作物的可持续生产。疫霉菌通过分泌效应蛋白,干扰植物生理生化过程,进而成功侵染植物。疫霉菌基因组编码大量效应蛋白,绝大多数在序列上高度分化;也编码一些序列相对保守且致病关键的效应蛋白,研究其作用机理有助于揭示病菌致病机理,探索新型抗病基因资源和抗病新途径。

  Avr3a家族是疫霉菌中保守且致病关键的RXLR效应蛋白家族之一,包括致病疫霉菌PiAvr3a、大豆疫霉菌Avr1b以及辣椒疫霉菌至少13个成员(PcAvr3a1-PcAvr3a13)。2018年6月1日,单卫星教授课题组在 Molecular Plant 在线发表了题为“A  Phytophthora capsici  RXLR Effector Targets and Inhibits a Plant PPIase to Suppress Endoplasmic Reticulum-Mediated Immunity”的研究论文,系统揭示了辣椒疫霉菌通过其PcAvr3a12效应蛋白靶向并抑制植物内质网定位的脯氨酰顺反异构酶PPIase的活性、抑制内质网介导的免疫反应侵染植物。

  研究人员利用前期建立的辣椒疫霉菌-拟南芥亲和互作模式卵菌病害体系,研究发现辣椒疫霉菌RXLR效应蛋白基因 PcAvr3a12 在病菌侵染早期上调表达,其转基因过表达植物感病性增强,说明PcAvr3a12是辣椒疫霉菌重要的毒性因子。通过酵母双杂交技术鉴定获得PcAvr3a12的寄主靶标脯氨酰顺反异构酶(PPIase)FKBP15-2,并通过免疫共沉淀(Co-IP)技术和双分子荧光互补(BiFC)技术确认其特异性互作。共聚焦显微镜亚细胞定位分析表明,FKBP15-2与PcAvr3a12共定位于内质网,且共同富集在病菌吸器周围(图1)。

图1:辣椒疫霉菌RXLR效应蛋白PcAvr3a12及其靶标FKBP15-2共定位于内质网并富集在病菌吸器周围。

  实时荧光定量PCR分析显示 FKBP15-2 在疫霉菌侵染植物早期上调表达。对 fkbp15-2 突变体、 FKBP15-2 基因沉默以及过表达转基因植株的分析结果显示, FKBP15-2 基因沉默后,拟南芥对辣椒疫霉菌更敏感,说明该基因正向调控植物对疫霉菌的抗性(图2)。

图2:FKBP15-2正向调控植物对疫霉菌的抗性

  体外的胰凝乳蛋白酶偶联分析显示,FKBP15-2具有脯氨酰顺反异构酶活性,其活性是免疫功能必需的,可被PcAvr3a12特异性抑制。进一步的基因表达分析发现,植物内质网应激相关基因响应辣椒疫霉菌的侵染。 FKBP15-2 基因抑制内质网应激感应因子 bZIP28 和 bZIP60 以及植物免疫相关基因的表达。

  基于以上结果,该研究发现了内质网应激介导的植物免疫反应的新组分FKBP15-2,解析了辣椒疫霉菌通过其致病关键的效应蛋白PcAvr3a12抑制植物免疫的新机制,即PcAvr3a12通过靶向和抑制植物FKBP15-2,抑制内质网应激介导的植物免疫,促进病菌对寄主植物的侵染(图3)。

图3:辣椒疫霉菌通过其致病关键效应蛋白PcAvr3a12抑制植物免疫反应的模型图

  该研究由西北农林科技大学单卫星教授课题组完成,第一作者为博士生樊光进,通讯作者为单卫星教授,研究工作得到国家马铃薯产业技术体系(CARS-09)、国家自然科学基金和高等学校引智计划(111计划)的支持。