Plant Physiology | 中山大学研究揭示效应蛋白触发的结瘤抑制：植物如何区分有益和有害细菌！
豆科植物可以与根瘤菌形成共生关系，根瘤菌是固氮细菌，通过形成称为根瘤的器官在根部定殖。根瘤的发展取决于植物和共生细菌之间信号的协调交流。最终，豆科植物通过能够利用氮而从这种联合中受益，而根瘤菌则通过利用主要是糖类形式的植物资源而成功繁殖。然而，问题是，植物如何将这些有益的细菌与导致疾病的细菌区分开来。十多年前，研究表明，一些共生细菌可以通过将特定的蛋白质引入宿主植物的方式引起植物的免疫系统，让人联想到致病细菌。这些蛋白质被称为根瘤外蛋白（Nops），可以诱导结瘤或以宿主特有的方式抑制结瘤，就像病原体毒力和无毒因子的情况一样。很少有植物蛋白被证明可以直接或间接地与Nops相互作用以触发这些反应，而且对Nops的作用机制也不甚了解。
2022年5月，国际权威学术期刊Plant Physiology发表了中山大学Christian Staehelin团队的最新相关研究成果，题为Effector-triggered inhibition of nodulation: A rhizobial effector protease targets soybean kinase GmPBS1-1的研究论文。同时，还发表了题为Friend or foe: how plants discriminate between pathogenic and mutualistic bacteria的评论文章。该论文研究了来自中华根瘤菌NGR234的NopT的作用方式。这种根瘤菌可以对100多个植物属的物种进行结瘤。NopT诱导普通菜豆菌株的结瘤，对热带豆科植物猪屎豆的结瘤有负面影响。一旦进入植物体内，NopT会自我裂解，暴露出成为脂质化的残基，激活一个定位信号，将NopT引导到质膜上。
科研人员首先利用黄单胞菌-辣椒易位系统，表明NGR234的NopT效应蛋白的易位是通过细菌III型分泌系统（T3SS）进行的，并依赖于NopT的N端残基。此外，通过使用NGR∆nopT突变体和引入缺乏特定残基的NopT突变的质粒，科研人员证实了NopT需要脂化及其蛋白酶活性来抑制猪屎豆的结瘤。为了测试NopT在结瘤中的贡献，科研人员将NopT引入了费氏中华根瘤菌菌株USDA257，该菌株可以诱导多种大豆的结瘤。科研人员表明，USDA257菌株中NGR234的nopT抑制了大豆结瘤，表明NopT本身就足以阻止一些大豆品种的共生，而且在USDA257中表达时也是如此。
接下来，科研人员调查了NopT是如何干扰结瘤的，他们的发现表明，NopT触发了被称为效应蛋白触发免疫（ETI）的植物防御途径。植物已经进化出一种先天免疫系统，它能迅速识别其环境中的大多数病原体，以做出防御反应。在这种先天免疫系统中，植物识别与病原体相关的分子模式，以引起一种被称为"病原体触发免疫"（PTI）的一般反应。反过来，一些病原体通过分泌效应蛋白抑制PTI，植物可能会通过触发ETI（第二层反应）来应对。ETI是菌株特异性的，其特点是超敏反应和感染部位的程序性细胞死亡，这有效地限制了病原体的增殖。
NopT与来自致病性丁香假单胞菌的无毒因子AvrPphB具有序列和结构同源性。AvrPphB是一种效应蛋白酶，可以通过裂解植物细胞质受体样激酶PBS58 1来触发ETI，后者又激活抗性蛋白RPS5。科研人员表明，NopT的功能类似于AvrPphB。农杆菌介导的NGR234的NopT转化到野生型拟南芥中，导致让人联想到超敏反应的萎缩，而NopT在拟南芥突变体pbs1-2和rps5-2中的瞬时表达没有显示任何反应（图1A）。此外，科研人员将标记的NopT-HA与AtPBS1-FLAG或大豆GmPBS1-1-FLAG共同表达，结果表明NopT有效地裂解了这两种PBS1蛋白（图1B）。
这项研究表明，来自共生细菌的效应蛋白是如何在植物中被识别为病原体效应蛋白以触发蛋白质裂解，从而导致植物防御反应。此外，这种识别是菌株特异性的，因为来自不同菌株的大豆植物可以与NGR234亲和或不亲和。由于PBS1蛋白在大豆中是保守的，亲和性或不亲和性可能是由一个或多个额外的蛋白决定的，像植物对致病性丁香假单胞菌AvrPphB的反应中的RPS5，对PBS1的裂解有反应。植物免疫系统在区分病原体和共生体方面似乎走了一条细线。从进化的角度看，宿主植物面临着允许感染继续进行或防御感染的挑战；而细菌，无论是病原体还是共生体，都有一个类似的进化目标，那就是在植物细胞中定殖，以发挥它们的优势。这项研究提供了对效应蛋白触发的植物反应的另一个步骤的洞察力，在那里可能会划定致病性和共生性之间的界限。
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