病原细菌通过劫持寄主代谢解决“卡脖子”问题
原创 张占全 CellPress细胞科学 来自专辑Cell Press青促会述评
Life science
作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。
第十七期专栏文章，由中国科学院植物研究所副研究员、中国科学院青年创新促进会会员 张占全，就 Cell Host & Microbe 中的论文发表述评。
病原微生物引起的病害一直是人类驯化和栽培植物的漫长历史中挥之不去的魔咒。19世纪40年代，由于马铃薯晚疫病引发的大饥馑导致爱尔兰人口减少了四分之一。进入21世纪，植物病原菌引起的病害每年仍造成全球农作物10-30%的减产，严重威胁世界的粮食安全。
植物寄主与病原菌长期协同进化过程中形成了复杂的互作机制，没有硝烟的攻防战每时每刻都在发生。尽管植物通过“主动”+“被动”的多层级防卫系统可以抵御绝大部分病原菌的进攻，无奈“道高一尺，魔高一丈”，病原菌不断进化出新的武器突破防线，引起病害。效应蛋白（effectors）是病原菌侵染寄主过程中的一种精确制导的重要武器。革兰氏阴性细菌的细胞膜上有一种由多个蛋白组成的跨膜通道，称为III型分泌系统（T3SS, Type III Secretion System）。经T3SS分泌的效应蛋白被称为III型效应因子（T3Es, type III effectors）。T3SS如同病原细菌的“导弹发射器”，在侵染寄主的过程中将其弹药库中的“效应蛋白”精准打入植物细胞内部。通常情况下，进入寄主细胞中的效应蛋白主要干扰植物的免疫系统，帮助病原菌侵染和定殖。
近期，中科院上海植物逆境生物学中心的Alberto Macho团队以青枯雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）为研究对象，首次发现该细菌产生的III型效应因子RipI通过劫持寄主细胞中的谷氨酸代谢，促进γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）的生物合成，为其在寄主中的繁殖提供营养物质，揭示了植物病原细菌侵染的新机制。
青枯雷尔氏菌是一种土传植物病原细菌，引发植物青枯病。它被认为是植物上最具破坏性的病原细菌，可侵染250多个物种，包括番茄、马铃薯、烟草、香蕉、辣椒、茄子等在内的多种重要农作物，造成巨大的经济损失。青枯雷尔氏菌中已知有70多个III型效应因子, 这一数量远远高于其他植物病原细菌（约15-40个）。RipI是青枯雷尔氏菌中特有的III型效应因子。将该菌中的RipI敲除之后，其在寄主上的致病力显著降低，同时在寄主木质部的繁殖也受到显著的抑制，而将RipI再次导入突变体中后其在寄主上的毒力和繁殖能力均得到恢复。这表明RipI是青枯雷尔氏菌中的一个重要的毒力因子（图1）。
进一步，研究人员通过免疫共沉淀和酵母双杂交等方法发现RipI可以同植物中的钙调蛋白（calmodulin）和谷氨酸脱羧酶（glutamate decarboxylases，GADs）互作。Calmodulin可以激活GAD从而催化GABA的合成，而GABA恰恰是青枯雷尔氏菌繁殖所必须的营养物质。RipI促进了GAD与Calmodulin的结合，加速GABA的合成，从而为青枯雷尔氏菌的繁殖提供了源源不断的营养，使其可以在寄主植物组织内迅速扩充队伍，最终导致植物的枯萎。青枯雷尔氏菌对寄主产生的GABA十分依赖，当将寄主中的GAD基因突变或抑制表达后，RipI失去了目标，没有了用武之地，病原菌的致病性也随之降低（图2）。
“靠人不如靠己”，GABA如此重要，青枯雷尔氏菌为何要靠劫持寄主的代谢过程来满足需求呢？原来，多数细菌中都存在GAD基因，可以完成GABA的自给自足，而强大的青枯雷尔氏菌恰恰没有该基因。为解决这一“卡脖子”的问题，采取了“借鸡生蛋”的策略，派出RipI劫持寄主代谢，合成GABA（图3）。
残酷的自然法则下，青枯雷尔氏菌通过精妙的策略，在与寄主的战争中取得阶段性胜利。然而，站在人类的角度，病原菌的胜利并不是我们所愿意看到的结果。本研究揭示了GAD是植物中一个容易被病原菌利用的靶点，同样为抗病育种学家选育新的抗病品种指出了一个新的方向。
论文摘要
许多植物病原细菌通过III型分泌系统向植物细胞中注射效应蛋白来抑制寄主的免疫反应。然而，效应蛋白是否可以及如何利用植物的代谢过程来支持其繁殖仍然是个有待解决的问题。本研究中我们发现青枯雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）的效应蛋白RipI可以与植物中的谷氨酸脱羧酶（GADs）互作，并改变植物的代谢过程来支持其繁殖。GADs可以被钙调蛋白激活来催化合成γ-氨基丁酸(GABA)（一种动植物中重要的信号分子）。RipI可以促进GADs与钙调蛋白之间的互作，从而加速GABA的生物合成。GABA是R. solanacearum繁殖所依赖的一种重要营养物质，RipI和植物中的GABA都对其成功侵染寄主有重要影响。本研究揭示了一种病原细菌通过劫持寄主的代谢过程来支持其在寄主中定殖的致病新机制。
Many bacterial plant pathogens employ a type III secretion system to inject effector proteins within plant cells to suppress plant immunity. Whether and how effector proteins also co-opt plant metabolism to support extensive bacterial replication remains an open question. Here, we show that Ralstonia solanacearum, the causal agent of bacterial wilt disease, secretes the effector protein RipI, which interacts with plant glutamate decarboxylases (GADs) to alter plant metabolism and support bacterial growth. GADs are activated by calmodulin and catalyze the biosynthesis of gamma-aminobutyric acid (GABA), an important signaling molecule in plants and animals. RipI promotes the interaction of GADs with calmodulin, enhancing the production of GABA. R. solanacearum is able to replicate efficiently using GABA as a nutrient, and both RipI and plant GABA contribute to a successful infection. This work reveals a pathogenic strategy to hijack plant metabolism for the biosynthesis of nutrients that support microbial growth during plant colonization.
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