植物病原菌致病策略
——利用效應(yīng)子挾持寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

景茂峰，王源超

1. 引言

作為真核分泌途徑中的核心細(xì)胞器，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum, ER）介導(dǎo)包括鈣穩(wěn)態(tài)和蛋白質(zhì)加工在內(nèi)的多個(gè)細(xì)胞過(guò)程[1,2]。病原菌在侵染植物時(shí)可以誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ER stress）并觸發(fā)未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response, UPR）。作為一種保守的保護(hù)性信號(hào)傳導(dǎo)途徑，UPR在極端條件下會(huì)導(dǎo)致程序性細(xì)胞死亡（programmed cell death, PCD）[3-5]，而這可能會(huì)損害或有益于病原菌，具體取決于PCD發(fā)生的時(shí)間和方式以及病原菌是否適應(yīng)于發(fā)生PCD的組織[6]。植物模式識(shí)別受體（pattern recognition receptor, PRR）可感知細(xì)胞表面的病原體或微生物相關(guān)分子模式（pathogen- or microbe-associated molecular pattern, PAMP or MAMP），而其生物合成和準(zhǔn)確折疊也依賴于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的N-糖基化和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)質(zhì)量控制（ER quality-control, ERQC）系統(tǒng)[7-9]。然而，病原菌已經(jīng)進(jìn)化出了靶向寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑介導(dǎo)的植物免疫（endoplasmic reticulum stressmediated immunity）的能力。最近的研究表明，病原菌將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)作為關(guān)鍵的靶向目標(biāo)，從而能夠控制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的植物免疫反應(yīng)。植物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)也會(huì)響應(yīng)病原菌的侵染信號(hào)進(jìn)行重排，同時(shí)大量報(bào)道證實(shí)植物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)傳感器（ER sensor）和眾多內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白參與了植物防衛(wèi)相關(guān)反應(yīng)（表1）[9-28]。其中，一些內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白被病原菌效應(yīng)子所挾持來(lái)抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的植物免疫反應(yīng)和相關(guān)的植物防衛(wèi)反應(yīng)而促進(jìn)侵染，研究闡明這些過(guò)程將有助于理解和明確植物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在植物與病原菌互作中的角色以及病原菌挾持和克服寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的分子機(jī)制。因此，本文中我們概述了目前病原菌利用效應(yīng)子挾持寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)抑制植物免疫反應(yīng)的這一新型致病策略。

2. 靶向分子伴侶BiP 抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞死亡

屬于HSP70（heat-shock 70 kDa protein）家族的免疫球蛋白結(jié)合蛋白BiP（binding immunoglobulin protein）是負(fù)責(zé)蛋白折疊的重要分子伴侶，它通過(guò)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)未折疊蛋白的結(jié)合來(lái)緩和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)感受器的結(jié)合來(lái)調(diào)控UPR [29,30]。BiP可被非生物和生物脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，并與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、PCD和植物防衛(wèi)反應(yīng)相關(guān)。例如，過(guò)表達(dá)本氏煙草NbBiP4能夠抑制馬鈴薯X病毒（potato virus X, PVX）TGBp3蛋白誘導(dǎo)的PCD[13]。本氏煙草中沉默NbERD2會(huì)減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中BiP的積累，增強(qiáng)對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的敏感性，并加劇非寄主病原菌引起的PCD [31]。大豆GmBiP1～4和煙草NbBiP5的過(guò)表達(dá)促進(jìn)疫霉菌侵染并抑制BAX觸發(fā)的PCD [16]。上述研究表明BiP的積累會(huì)抑制病原菌侵染相關(guān)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激應(yīng)激誘導(dǎo)的PCD（ER stress-induced PCD, ER-PCD）。

大 豆 疫 霉（Phytophthora sojae）RxLR效 應(yīng) 子PsAvh262通過(guò)穩(wěn)定BiP來(lái)增加BiP在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的積累，從而抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞死亡。該發(fā)現(xiàn)也是病原

菌利用效應(yīng)子操控寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)植物免疫反應(yīng)的首次報(bào)道 [16]。疫霉菌是半活體營(yíng)養(yǎng)型病原菌，侵染早期在寄主中進(jìn)行活體營(yíng)養(yǎng)型生活，然后在侵染后期殺死寄主細(xì)胞進(jìn)行死體營(yíng)養(yǎng)型生活。在最初的活體營(yíng)養(yǎng)階段，疫霉菌利用吸器從活著的細(xì)胞組織中獲取營(yíng)養(yǎng)，因此它們通常需要有效的機(jī)制來(lái)抑制或逃避寄主PCD等防衛(wèi)反應(yīng)[32]。因此，疫霉菌分泌效應(yīng)子PsAvh262進(jìn)入寄主細(xì)胞中利用自身的免疫球蛋白/白蛋白結(jié)合域（immunoglobulin/albumin-binding domain）來(lái)穩(wěn)定BiP，阻止BiP降解，從而抑制ER-PCD。PsAvh262沉默大豆疫霉菌失去了誘導(dǎo)大豆BiP積累的能力而導(dǎo)致ER-PCD產(chǎn)生、侵染能力下降。此外，BiP的過(guò)表達(dá)可以部分恢復(fù)寄主對(duì)大豆疫霉菌沉默PsAvh262轉(zhuǎn)化子的敏感性，這說(shuō)明PsAvh262通過(guò)抑制ER-PCD來(lái)促進(jìn)侵染（圖1）。此外，哺乳動(dòng)物致病細(xì)菌中的幾種毒素和IV型分泌系統(tǒng)（type IV secretion system, T4SS）效應(yīng)子已通過(guò)結(jié)合BiP參與了UPR的激活和隨后的炎癥反應(yīng)[33]。但是，尚不清楚PsAvh262是否參與UPR的調(diào)控。BiP在大豆和本氏煙草中的過(guò)量表達(dá)增強(qiáng)了對(duì)疫霉感染的敏感性，這表明BiP負(fù)調(diào)節(jié)植物防御反應(yīng)[16]。PsAvh262也與水稻OsBiP3相互作用，而研究表明過(guò)表達(dá)水稻BiP會(huì)顯著降低XA21的積累、損害XA21介導(dǎo)的抗性[17]。此外，PsAvh262可以抑制PAMP觸發(fā)的細(xì)胞死亡，這意味著由PsAvh262介導(dǎo)的BiP積累可能會(huì)使受體不穩(wěn)定，或者PsAvh262-BiP相互作用可能會(huì)阻止SDF2/ERdi3B/BiP復(fù)合體輔助的受體折疊，從而導(dǎo)致破壞下游防衛(wèi)反應(yīng)。

表1 植物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)蛋白在病原菌侵染中的作用

3. 靶向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位的NAC 轉(zhuǎn)錄因子

NAC (NAM, ATAF1, 2, CUC2) 轉(zhuǎn)錄因子是一類植物特有的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，在調(diào)控與應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄重編程過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[34,35]。NAC轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)調(diào)節(jié)活性氧（reactive oxygen species, ROS）信號(hào)傳導(dǎo)途徑、植物激素途徑、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、PCD和防衛(wèi)反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)等過(guò)程在植物防衛(wèi)反應(yīng)中發(fā)揮重要功能[36,37]。研究證實(shí)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位的NAC轉(zhuǎn)錄因子在植物對(duì)調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和抵御病原菌中起重要作用。比如，NTM1家族[NAC from the transmembrane motif 1(NTM1)-like family]成員NTL9可以調(diào)節(jié)水楊酸（salicylic acid, SA）合成基因異丁酸合成酶1（isochorismate synthase 1, ICS1）的表達(dá)[38]，并通過(guò)調(diào)節(jié)effector-triggered immunity（ETI）中防御相關(guān)基因的表達(dá)，在應(yīng)對(duì)丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae）的先天免疫應(yīng)答中起重要作用[22]。另外，馬鈴薯NAC轉(zhuǎn)錄因子StNTP1和StNTP2（NAC targeted byPhytophthora）在疫霉菌培養(yǎng)濾液的刺激下可以從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核中[23]。然而，關(guān)于由NTP調(diào)控的下游基因以及NTL9或NTP是否參與調(diào)控與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激有關(guān)的下游基因了解甚少。

圖1. 植物病原菌效應(yīng)子操控寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)促進(jìn)侵染模式圖。病原菌侵染可激活寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，隨后觸發(fā)細(xì)胞死亡以組織病原菌的侵染和定殖。在疫霉菌侵染初期的活體營(yíng)養(yǎng)階段，RxLR效應(yīng)子PsAvh262與寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的BiP結(jié)合并使其穩(wěn)定，從而減弱內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞死亡。RxLR效應(yīng)子Pi03192阻止NAC轉(zhuǎn)錄因子NTP從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到細(xì)胞核的重定位，從而抑制NTP介導(dǎo)的防衛(wèi)基因表達(dá)。RxLR效應(yīng)子PcAvr3a12與FKBP15-2結(jié)合并通過(guò)抑制其PPIase活性來(lái)抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。丁香假單胞菌III型效應(yīng)子HopD1與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的另一個(gè)NAC轉(zhuǎn)錄因子NTL9互作并抑制NTL9調(diào)控基因的表達(dá)。南方根結(jié)線蟲分泌Mi-CRT進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，通過(guò)抑制寄主PTI反應(yīng)來(lái)促進(jìn)侵染。PM：質(zhì)膜（plasma membrane）；CW：細(xì)胞壁（cell wall）；EHM：吸器外膜（extrahaustorial membrane）；A：質(zhì)外體（apoplast）；H：吸器（haustoria）；VPE：液泡加工酶（vacuolar processing enzyme）；PTI：病原物相關(guān)分子模式誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)（PAMP-triggered immunity）；Mi-CRT：南方根結(jié)線蟲-鈣網(wǎng)蛋白（Meloidogyne incognita-calreticulin）。

近期研究表明，來(lái)自丁香假單胞菌、擬南芥霜霉病菌[Hyaloperonospora arabidopsidis(Hpa)]和致病疫霉菌（Phytophthora infestans）等多種病原菌的效應(yīng)子可與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位的NAC轉(zhuǎn)錄因子互作并抑制其介導(dǎo)的植物防衛(wèi)反應(yīng)。例如，丁香假單胞菌III型效應(yīng)子HopD1和HpaRxLR效應(yīng)子可以靶向AtNTL9 [22]，致病疫霉RxLR效應(yīng)子Pix03192與StNTP1和StNTP2互作 [23]。III型效應(yīng)子HopD1可以作為ETI的強(qiáng)抑制子，抑制AtNTL9調(diào)節(jié)的ETI基因表達(dá)（圖1）。Pi03192可以阻止PAMP觸發(fā)的StNTP1和StNTP2由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向細(xì)胞核的重定位，而抑制NTP調(diào)節(jié)的防衛(wèi)反應(yīng)（圖1）。目前尚未發(fā)現(xiàn)HopD1可影響NTL9的亞細(xì)胞定位，也不清楚HopD1如何抑制依賴于NTL9的基因表達(dá)。

4. 抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中FKBP 的肽基脯氨?；?lè)串悩?gòu)酶活性

肽基脯氨?；?lè)串悩?gòu)酶（peptidyl-prolylcis-transisomerase, PPIase）催化脯氨酸肽鍵的順?lè)串悩?gòu)化，是蛋白質(zhì)折疊過(guò)程中的重要步驟[39]。植物中PPIase存在三個(gè)亞家族：親環(huán)蛋白（cyclophilin, CYP）、FK506結(jié)合蛋白（FK506-binding protein, FKBP）和Parvulin蛋白，它們?cè)谥参锱c病原物的互作中得到了廣泛的研究[39]。例如，研究發(fā)現(xiàn)AtFKBP65與丁香假單胞菌和油菜黃單胞菌激發(fā)的植物防衛(wèi)反應(yīng)有關(guān)[40,41]。最近對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位的AtFKBP15-2在植物與病原菌互作中的作用進(jìn)行了研究，為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與植物免疫之間的交叉提供了新的線索。結(jié)果表明AtFKBP15-2在植物感應(yīng)衣霉素（tunicamycin）誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激傳感器的轉(zhuǎn)錄表達(dá)以及UPR通路調(diào)節(jié)中起著重要作用，從而正調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的植物免疫反應(yīng)[25]。

有趣的是，病原菌會(huì)招募植物CYP蛋白R(shí)OC1和GmCYP1，利用其PPIase活性來(lái)幫助自身效應(yīng)子的激活以促進(jìn)病原菌的侵染[42,43]。辣椒疫霉（Phytophthora capsici）中RxLR效應(yīng)子Avr3a家族成員PcAvr3a12，可以與AtFKBP15-2互作，通過(guò)抑制AtFKBP15-2的PPIase活性而減弱其介導(dǎo)的免疫反應(yīng)（圖1）。同時(shí)，At-FKBP15-2的PPIase活性在其調(diào)控的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的免疫反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用[25]。

5. 分泌CRT 效應(yīng)子進(jìn)入寄主細(xì)胞

鈣網(wǎng)蛋白（calreticulin, CRT）是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中高度保守的鈣結(jié)合分子伴侶和鈣離子傳感器。CRT與鈣離子穩(wěn)態(tài)有關(guān)，并參與了植物的蛋白質(zhì)折疊和植物免疫反應(yīng)[44]。CRT3在膜定位受體EFR、BRI1和IRK的積累中具有重要作用[7-9,45]。擬南芥crt3突變體對(duì)丁香假單胞菌的感病性增加[9]，然而過(guò)表達(dá)CRT2不僅可以增加寄主對(duì)丁香假單胞菌的感病性，也能導(dǎo)致水楊酸的積累和病程相關(guān)基因的激活[19]，表明了CRT家族蛋白在植物免疫調(diào)節(jié)中的雙重作用。南方根結(jié)線蟲（Meloidogyne incognita）在侵染寄主過(guò)程中，會(huì)分泌CRT (Mi-CRT)定位到寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中[46,47]。而研究發(fā)現(xiàn)多種動(dòng)物寄生蟲也會(huì)分泌CRT到它們的宿主中，并在調(diào)節(jié)宿主防衛(wèi)反應(yīng)中發(fā)揮重要作用[48-50]。在南方根結(jié)線蟲中敲除Mi-CRT會(huì)導(dǎo)致在侵染番茄和擬南芥時(shí)毒性降低，這表明了Mi-CRT對(duì)于線蟲成功侵染寄主的重要性。同時(shí)，在寄主中過(guò)表達(dá)Mi-CRT不僅增加了植物對(duì)南方根結(jié)線蟲的敏感性，還促進(jìn)了病原卵菌寄生疫霉菌（Phytophthora parasitica）的侵染。Mi-CRT通過(guò)抑制PAMP觸發(fā)的免疫（PAMP-triggered immunity, PTI）和植物激素介導(dǎo)的防衛(wèi)反應(yīng)而增加了植物對(duì)病原菌的感病性[47]。該研究提供了一個(gè)抑制寄主免疫反應(yīng)的例子，即病原物模擬并分泌寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)途徑的分子伴侶蛋白。

6. 總結(jié)

總之，病原菌與植物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的互作機(jī)制研究處于起步階段，還有諸多關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題需要研究，比如：植物如何識(shí)別內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號(hào)并調(diào)節(jié)其介導(dǎo)的植物免疫？在植物與病原菌互作中，植物如何平衡內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的自噬與細(xì)胞死亡？病原菌如何將效應(yīng)子分泌到寄主內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，而效應(yīng)子又是如何發(fā)揮作用的？仍有一系列的問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和探索。此外，深入理解植物對(duì)病原菌誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號(hào)的識(shí)別、病原菌如何突破內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的植物免疫而促進(jìn)病原成功定殖，對(duì)于制定有效的作物改良、基于激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)植物免疫的病蟲害控制策略至關(guān)重要。

致謝

本研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金（31721004、31801715）、江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（BK20180518）、中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)（KJQN201913）等項(xiàng)目資助。

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