Science | 南农王源超教授团队与清华大学合作取得重大原创性突破
2月15日，南京农业大学王源超教授团队和清华大学/西湖大学柴继杰教授团队合作在国际权威学术期刊Science上发表了题为A plant mechanism of hijacking pathogen virulence factors to trigger innate immunity的研究论文，揭示了植物PGIP特异性识别病原菌PG并劫持其酶活性来触发植物先天免疫的独特分子机制，对认识植物免疫系统、合理利用和精准改造PGIP提高作物抗性具有重要的指导意义。
在植物与病原菌的长期斗争中，效应子是病原菌攻击寄主植物的武器，病原菌分泌效应子攻击植物的免疫系统导致植物感病；植物进化出精细、复杂的免疫系统，通过识别病原菌效应子激活植物抗性从而保护自身免受侵害。植物的细胞壁由高度复杂的纤维素、半纤维素、果胶聚糖结构组成，是病原菌成功入侵植物需要突破的重要防线。病原菌在侵染植物的早期分泌的效应子中包含大量的细胞壁降解酶（Cell wall degrading enzyme, CWDE），破坏植物细胞壁。
果胶多聚半乳糖醛酸水解酶（Polygalacturonase, PG）是病原菌分泌的一类重要的致病效应子，具有保守的细胞壁降解酶活性，对病原菌的致病性至关重要。自1971年多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（Polygalacturonase-inhibiting protein, PGIP）从植物细胞壁中被鉴定到作为植物抗病蛋白以来，学界普遍认为PGIP通过抑制PG酶活发挥抗病功能。然而，植物PGIP与病原菌PG互作激活植物免疫的分子机制一直不清楚。
该项研究首次解析了分辨率为1.93Å的PvPGIP2-FpPG复合物结构。与之前所有报道的细胞壁降解酶抑制蛋白（CWDE-inhibiting protein, CWDEIP）与CWDE的复合物结构不同，PvPGIP2并未结合在FpPG的酶活中心，表明PvPGIP2与FpPG存在独特的作用机制。PGIP-PG形成一个全新的多聚半乳糖醛酸水解酶，与PG具有完全不同的酶活性。体外酶活实验与植物功能实验表明，PvPGIP2-FpPG水解的OG产物中含有大量的长链OG10-15，其作为分子模式被植物识别触发植物免疫反应。然而FpPG单独水解的OG产物中含有大量的短链OG2-7、几乎不含有长链OG10-15。短链OG2-7作为免疫抑制子抑制不同分子模式（如flg22, Chitin, INF1）触发的免疫反应。该研究表明植物PGIP并不直接抑制PG酶活性，而是改变底物结合方式，促进能够激活植物免疫的高聚OG产生，并减少抑制植物免疫的低聚OG产生。该研究首次揭示了植物细胞壁降解酶抑制蛋白通过调控病原菌细胞壁降解酶底物转化激活植物免疫的全新机制。在此基础上，该研究进一步对PGIP进行了工程化改造。改造后的PGIP不仅能产生更多的OG10-15，并且获得新的识别PG的功能。
PGIP-PG介导的植物免疫响应
综上所述，该研究揭示了多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白PGIP和多聚半乳糖醛酸酶PG互作激活植物免疫的全新分子机制，为植物与病原物互作领域提供了全新的研究范式。对PGIP的定向编辑，提高PGIP识别PG激活植物抗性的功能，对认识植物免疫系统、合理利用和精准改造植物免疫元件提高作物抗性具有重要的指导意义。
细胞壁由高度复杂的纤维素、半纤维素、果胶聚糖结构组成，是病原菌成功入侵植物需要突破的重要防线。王源超教授团队在前期的研究中发现围绕细胞壁半纤维素，疫霉菌和植物进行着复杂的多重分子博弈。在侵染植物早期疫霉菌分泌的核心效应子糖基水解酶XEG1通过降解细胞壁半纤维素破坏植物抗病性（Ma et al., 2015 Plant Cell）。植物能分泌蛋白酶抑制子抑制XEG1的活性抵抗病原菌的侵染，但是在进化过程中，疫霉菌获得了XEG1的酶活丧失突变体XLP1，利用XLP1作为“分子诱饵”竞争性保护核心效应子XEG1免受植物蛋白酶抑制子GIP1的攻击，揭示了病原菌致病新机制“诱饵模式”（Ma et al., 2017 Science）。随后研究发现大豆疫霉通过N-糖基化修饰来保护XEG1免受植物胞外天冬氨酸蛋白酶GmAP5的降解（Xia et al., 2020 PNAS）。XEG1可被烟草、大豆、番茄等多种植物识别触发免疫反应（Ma et al., 2015 Plant Cell；Wang et al., 2022 JIPB）。为了解析XEG1的免疫识别机制，该团队成功鉴定到植物识别XEG1的免疫受体RXEG1（Wang et al., 2018 Nature Communications）。通过与柴继杰教授合作，解析识别受体RXEG1多种不同状态的结构并结合体内生化和功能分析，揭示了细胞膜受体蛋白具有“免疫识别受体”和酶活“抑制子”的双重功能（Sun et al., 2022 Nature）。以上研究揭示了病原菌与植物围绕核心效应子XEG1展开的多层次攻防博弈。将受体RXEG1转基因能提高多种作物对以效应子XEG1为致病因子的多种病原菌的广谱抗病性，为改造作物广谱抗性提供了重要的基因资源（Wang et al., 2023 PBJ）。
在植物和病原菌互作早期，围绕细胞壁的降解和营养的获取，病原菌和植物分别利用效应子和抑制子等进行着复杂的分子博弈。对其机制的解析对认识生物互作的本质，改造作物的持久广谱抗病性具有重要的理论和实践价值。南京农业大学作物疫病研究团队长期聚焦于重要农作物疫病菌的致病与变异机制，在不同层次探索农作物抗病机制的形成过程与调控规律，取得了一系列重要进展，相关成果发表在Science（2017，2024）、Nature、PNAS、Nature Communications、Plant Cell等国际学术期刊。
病原菌与植物围绕核心效应子XEG1展开的多层次攻防博弈
Adapted from Wang et al., 2022 Nature Reviews Microbiology
(https://doi.org/10.1038/s41579-022-00710-3)
来源丨南农新闻网 编辑丨王璐 责任编辑丨王璐 校对丨谷雨 审核丨许天颖 吴峰
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