生食蔬菜，当心这种不可能被洗掉的致命病菌
近日发表的一项研究表明，鼠伤寒沙门氏菌能够通过气孔进入生菜叶片。这种感染人和动物的致病菌发展出一套对抗植物免疫系统的策略，以便借助植物进行传播。
图片来源：Pixabay
撰文 贺紫宸
编辑 戚译引
看着厨房案板上还沾着水滴的青翠蔬菜，你是不是觉得它已经洗干净了？猛烈的水流或许可以洗去尘土、小虫，但是最新研究发现，一些致病菌已经能够钻进蔬菜叶片里，准备悄悄登上你的餐桌。
近日，特拉华大学（University of Delaware）在《微生物学前沿》（Frontiers in Microbiology）上发表的一篇论文指出，能引发肠胃炎的鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella enterica Typhimurium）已经学会了如何攻破植物叶子的防御，藏在蔬菜的叶片里。
该文章的通讯作者、植物生物学助理教授 Harsh Bais 说：“现在我们知道，这种人类致病菌正在尝试做植物致病菌才会做的事情，这真的很吓人。”
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说起沙门氏菌，这可不是个好惹的家伙。在沙门氏菌属（Salmonella）中，99% 可以感染人类或哺乳动物的细菌都属于肠道沙门氏菌种，而它们引起的沙门氏菌感染在世界范围内每年大约有 13 亿个病例，并可以导致其中的 300 万人死亡。而最近被发现能入侵叶片的鼠伤寒沙门氏菌是其中一种常见血清型，它所导致的伤寒每年大约有 2100 万个病例，其中约 20 万人死亡。
肠道沙门氏菌的电镜照片。
图片来源：Encyclopedia Britannica
健康人的免疫系统可以在一定程度上抵御沙门氏菌等微生物的入侵，植物也有办法防范这样的异类。微生物在入侵植物时所要面对的第一道防线就是植物的表皮（epidermis）。和人类皮肤上的表皮层类似，这一层坚韧的组织在防止植物体损伤、感染和过度水分蒸发上有着极其重要的作用。但为了蒸腾作用的正常进行，这层“铠甲”并非密不透风，它上面分布着气孔。这是成对的微微张开的保卫细胞，为细菌的入侵提供了可乘之机。
不过，对于试图从气孔入侵的细菌，植物也准备了“化学武器”。当检测到致病菌的小分子名片，即微生物相关分子模式（microbe-associated molecular patterns, MAMP）时，植物就会通过各种激素使气孔闭合，这种机制称为气孔防御（stomatal defense）。在调控气孔防御的植物激素中，脱落酸和水杨酸可以使气孔关闭，茉莉酸则起反作用。
细菌入侵植物气孔示意图。
图片来源：doi: 10.1146/annurev.phyto.121107.104959
但是，特拉华大学的最新研究发现，鼠伤寒沙门氏菌设法绕开了这些防御机制。
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在这篇针对该菌入侵生菜叶片的研究中，以 Nicholas Johnson 为首的研究人员发现，鼠伤寒沙门氏菌能够阻碍气孔关闭：在把这种细菌或它的相关分子模式放到生菜叶片上培养 3-12 小时后，叶片气孔虽然比对照组要小一些，但远比添加了李斯特菌等其他致病菌的叶片气孔要大。也就是说，虽然生菜叶片对鼠伤寒沙门氏菌产生了防御反应，但这种反应受到了抑制。
添加不同菌种培育后的生菜气孔大小（翻译 贺紫宸）。
图片来源：doi: 10.3389/fmicb.2020.00500
那么，鼠伤寒沙门氏菌到底是如何抑制植物叶片气孔的防御反应的呢？Johnson 等人便把目光投向了这种细菌的杀手锏之一—— 即 III 型分泌系统（Type-III Secretion System，T3SS ）。大约在十年前，学界发现肠道沙门氏菌可以利用这个这个形似注射器的结构来向宿主的肠道细胞运输蛋白质，方便自己进入细胞并适应其内部的环境。既然这一策略对哺乳动物如此有效，那它是否也适用于植物呢？
为了检验这一假设，Johnson 等人将具有不同 T3SS 功能缺失的两种菌株放在生菜叶上培养。这时，生菜叶的气孔防御不再被抑制，而是积极闭合，将鼠伤寒沙门氏菌关在门外。叶片的内部也无法检测出这两种菌株。实验证明 T3SS 是鼠伤寒沙门氏菌入侵生菜叶必不可少的工具。
接下来，研究团队决定弄清楚 T3SS 究竟是从哪里突破了植物防御。这次，他们把注意力转移到可以帮助气孔关闭的水杨酸和脱落酸上。实验发现，即使有鼠伤寒沙门氏菌的存在，水杨酸仍然可以行使其正常的功能，使气孔关闭，研究人员们判断这种细菌不会干扰水杨酸的相关通路。可是脱落酸的情况就大不一样了：在有鼠伤寒沙门氏菌的情况下，脱落酸无法向植物的气孔通风报信，细菌得以从张开的气孔入侵植物。研究团队还检验了植物合成和运输脱落酸的基因的表达情况，证明鼠伤寒沙门氏菌的存在确实可以降低生菜叶片和根系中这类基因的表达。
总的来说，鼠伤寒沙门氏菌可以利用 III 型分泌系统影响脱落酸的合成和运输，阻碍气孔关闭，从而进入生菜叶片。研究还对大肠杆菌（Escherichia coli）和李斯特菌（Listeria monocytogenes）进行了同样的实验，发现它们不具备这种机制，叶片会关闭气孔，把这些细菌阻挡在外。
尽管如此，研究团队在文章讨论部分指出，许多感染人类的机会致病菌（opportunistic pathogen），即会在个体免疫功能下降时发起攻击的致病菌，已经被证明能入侵和污染植物，尽管它们的主要目标仍然是感染人类。细菌入侵植物的机制大体上仍然不明确，这项研究只是揭示了其中一种可能。
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本来是感染动物和人类的细菌，为什么要大费周章地骚扰植物界呢？发表在《植物病理学年度综述》（Annual Review of Phytopathology）上的一篇综述指出：“植物就是致病菌传染动物的中间媒介。”该综述提到，这些跨域致病菌在其生存的两种环境中都获得了巨大的生存优势，通过人类等各种动物的摄食，它们可以轻易从植物上“搭便车”进入动物体内。尽管它们无法直接摄取植物细胞的养分，植物细胞裂解产物和根系分泌物为它们提供了丰富的营养。
还有一种假说认为，这些人类致病菌或许可以利用其它植物致病菌已经为它们扫清的战场，绕过已经被打败的植物免疫系统，更方便地入侵植物。
鼠伤寒沙门氏菌进入生菜气孔。
图片来源：DOI: 10.1128/AEM.01084-09
此前的研究也发现，鼠伤寒沙门氏菌不仅能入侵生菜，在西红柿叶、芝麻菜、香菜、罗勒、卷心莴苣等绿叶蔬菜中也观察到相似的现象。值得注意的是，这些蔬菜似乎还都是吃沙拉时的热门选择，那我们还能愉快地吃沙拉吗？
论文共同作者、特拉华大学动物和食品科学系微生物食品安全教授 Kali Kniel 认为，生物防治在这方面大有可为。此前一些研究表明植物根际细菌（rhizobacteria）可以增强植物对植物病原体的防御响应。这项研究则检验了枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的一个专利菌株的保护作用，发现用含有这种人体肠道益生菌的水灌溉生菜，可以让鼠伤寒沙门氏菌在生菜叶片内的含量大大减少。
种植方式的改进也非常重要。作物产量的提高经常是以其免疫系统的牺牲为代价的。细菌还可能经由水源，在种植或加工过程中污染植物，比如种植在养殖场附近的低矮的作物很容易受到污染。
通过更好地理解细菌、植物和环境之间的相互作用，我们或许将找到对抗这类致病菌的有效方案，吃上放心的沙拉。虽然把蔬菜做熟了吃总是保险的，但让菜单多一些选择不就是农业和食品科学的目标之一吗？
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参考来源：
[1] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2020.00500/full
[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-06/uod-ssf063020.php
[3] https://www.udel.edu/canr/departments/plant-and-soil-sciences/faculty-staff/harsh-bais/
[5] https://doi.org/10.1016/j.imlet.2017.07.006
[6] http://www.plantphysiol.org/content/174/2/561
[7] https://doi.org/10.1016/j.mib.2012.11.006
[8] https://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev-phyto-081211-172936
[9] https://doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2010.12.031
[10] https://www.britannica.com/science/Salmonella-enterica-serovar-Typhi
[11] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2613263/
[12] https://elifesciences.org/articles/39514
[13] https://aem.asm.org/content/75/19/6076
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