Science Advances | 宾夕法尼亚大学研究揭示植物维管病原菌致病方式转换的“开关”

致病微生物引起动植物疾病。一些病原菌物种定居在宿主维管系统中，导致全身性感染，而另一些则仍局限于非维管组织。维管和非维管组织之间复杂的结构和生化差异表明，病原菌对这两种环境均具有多种独特的适应性，但是这些适应性的遗传和进化基础在很大程度上尚不清楚。适应性通常是通过特定基因的大量获取和丢失而发生的，与仅在DNA序列水平上的增量变化相比，进化更快（Nature Communications | 农作物病原菌表现出显著的适应性）。在细菌中，基因增益主要通过水平基因转移（HGT）发生，而基因丢失或假基因通过多种机制发生，包括转座子介导的插入和开放阅读框中的序列缺失。特别是对于编码与生态相关的性状的基因而言，基因的获得和丧失有效地充当了表型转换，从而使原本似乎复杂的生活方式之间可以快速转换（Science | 封面文章！内生真菌基因的水平转移打开小麦抗赤霉病的大门！）。例如，已证明假单胞菌植物致病性和共生之间的过渡，固氮细菌共生和寄生表型之间的过渡以及红球菌共生生和植物致病性之间的过渡通过以下方式可重复发生包含多个基因的基因组簇的得失都有助于同一表型的演化。这些快速的进化动力学对我们对疾病生态学和疾病管理策略的理解具有深远的意义。

在植物中，维管木质部和非维管实质组织代表独特的生态位。木质部由具有高度增强壁的死细胞组成，这些死细胞被组织成圆柱体，为植物提供结构完整性和长距离流体传输的手段。相反，薄壁组织由活细胞和充满气体的细胞间空间组成。木质部液主要由水和矿物质组成，许多维管病原菌成功地定殖于该植物环境中。木质部组织不仅遍及整个植物，使水从根到叶的分布，而且还可以作为病原菌快速，全身性运输的潜在途径。

近日，权威期刊Science Advances发表了美国宾夕法尼亚大学的研究论文，题为Repeated gain and loss of a single gene modulates the evolution of vascular plant pathogen lifestyles，本研究使用Xanthomonas作为模型来研究植物维管病原菌的致病机理，揭示病原菌维管和非维管生活方式之间的转变是由充当表型转换的单个基因的反复获得和丧失介导的。

维管植物病原菌通过宿主维管长距离传播，导致危及生命的系统性感染。与此相反，非维管性病原菌仍局限于感染部位，引发局部症状的发展。维管性和非维管性植物病害的对比特征表明了不同的病因，但每种病因的基础仍不清楚。本研究表明水解酶CbsA作为维管植物和非维管植物发病机制之间的表型转换“开关”。cbsA在黄单胞菌科维管植物病原菌的基因簇中富集，而在大多数非维管物种中不存在。cbsA的表达使非维管性黄单胞菌能够引起维管性枯萎，而cbsA突变则使维管性症状减少或非维管性症状发展增强。系统发育假说检验进一步发现，cbsA在多个非维管系中丢失，最近被一些维管亚群获得，这表明维管病原菌的致病机理是祖先的。结果总体上证明了单个位点的获得和丢失是如何促进复杂生态性状的进化。

图1. 纤维二糖水解酶CbsA与革兰氏阴性病原菌向维管病原性生活方式的转变有关

图2. CbsA的实验性得失有助于维管和非维管致病性生活方式之间的转换

图3. 重复的水平转移，转座和基因丢失事件驱动cbsA在革兰氏阴性细菌中的分布

图4. 与植物相关的黄单胞菌中维管和非维管发病机理的演变受cbsA得失的驱动

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