Cell子刊：中科院遺傳發育所周儉民組發現特異靶向病原菌致病力的植物天然產物並闡明作用機制

SFN抑制分泌系統表達的分子模式圖

特異靶向病原細菌致病力的植物天然產物並闡明其作用的分子機制

An Arabidopsis Secondary Metabolite Directly Targets Expression of the Bacterial Type III Secretion System to Inhibit Bacterial Virulence

Cell Host and Microbe [IF:17.872]

DOI: https://doi.org/10.1016/j.chom.2020.03.004

Article: 2020-4-8

第一作者：Wei Wang(王偉)^1,5,8, Jing Yang(楊靖)^3,8

通訊作者：Xiaoguang Lei(雷曉光 [email protected])², Jian-Min Zhou(周儉民 [email protected])^1,5,9

其他作者：Jian Zhang,²Yong-Xin Liu(劉永鑫),^1,7Caiping Tian,³Baoyuan Qu(曲寶原),^1,7Chulei Gao(高初蕾),^1,5Peiyong Xin(辛培勇),⁴Shujing Cheng,^4,5

作者單位：

1 愛爾蘭科克大學愛爾蘭APC微生物組和微生物學院 (State Key Laboratory of Plant Genomics, Institute of Genetics and Developmental Biology, Innovation Academy for Seed Design, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

1. 中國科學院，種子創新研究院，遺傳與發育生物學研究所，植物基因組學國家重點實驗室 (State Key Laboratory of Plant Genomics, Institute of Genetics and Developmental Biology, Innovation Academy for Seed Design, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

2. 北京大學(Peking University)

3. 國家蛋白質中心(State Key Laboratory of Proteomics, Beijing Proteome Research Center, National Center for Protein Sciences Beijing, Beijing Institute of Lifeomics)

4. 中國科學院遺傳與發育生物學研究所，國家植物基因研究中心(北京)(National Centre for Plant Gene Research (Beijing), Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing

   100101, China)

5. 中國科學院大學，生物互作卓越創新中心(CAS Center for Excellence in Biotic Interactions, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

6. 德國馬克斯·普朗克發育生物學研究所分子生物學中心(Department of Molecular Biology, Max Planck Institute for Developmental Biology)

7. 中國科學院遺傳與發育生物學研究所，中國科學院-英國約翰英納斯中心植物和微生物科學聯合研究中心(CAS-JIC Centre of Excellence for Plant and Microbial Science (CEPAMS), Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences (CAS), Beijing 100101, China)

導讀

當植物受到病原微生物侵染時，植物會釋放大量的次生代謝物抑制病原、保護自己。以前對植物抗菌代謝物活性的認知主要基於多數抗菌代謝物在體外具有殺菌或抑菌的活性，但不加選擇得殺滅病原微生物和有益微生物顯然不利於植物的正常生長。

2020年4月8號，中國科學院遺傳發育生物學研究所周儉民組、北京大學雷曉光組和國家蛋白質中心楊靖組合作在Cell Host & Microbe在線發表了題為 “An Arabidopsis secondary metabolite directly targets expression of the bacterial type III secretion system to inhibit bacterial virulence”的文章，該研究發現了特異靶向病原細菌的植物天然產物Sulforaphane（SFN）並闡明瞭其作用的分子機制

大多數革蘭氏陰性病原細菌，比如丁香假單胞菌，利用其分泌系統向宿主細胞內分泌致病蛋白，干擾宿主的生命活動，導致病害。本研究首次發現十字花科植物特有天然產物SFN特異共價修飾調控分泌系統表達的轉錄因子，抑制病原細菌的致病力、增強植物的抗病性。更為重要的是，SFN不影響有益微生物在植物上的定殖。這項工作首次發現植物合成識別敵友的“機智”天然產物，加深了我們對植物抗菌代謝物的認知。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所王偉博士和國家蛋白質中心的楊靖博士為論文的共同第一作者，周儉民研究員和雷曉光教授為共同通訊作者。褚金芳研究團隊和白洋研究團隊也參與了這項工作。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院國際合作重點項目和植物基因組學國家重點實驗室的資助。

研究亮點

• 植物次生代謝物sulforaphane(SFN)抑制丁香假單胞菌TTSS基因

• SFN積累有缺陷的植物更容易感染丁香假單胞菌

• SFN共價修飾HrpS的Cys 209並調節TTSS表達

• SFN防禦丁香假單胞菌的功能是通過HrpSCys209修飾介導的

摘要

植物利用各種次級代謝產物來抵禦病原體的侵襲。儘管通常認為防禦性化合物對微生物有毒，但確切的機制通常是未知的。在這裡，我們顯示擬南芥防禦化合物蘿蔔硫素（sulforaphane, SFN）的功能主要是通過抑制丁香假單胞菌III型分泌系統（TTSS）基因，這對於發病機理至關重要。缺少不積累SFN的脂肪族芥子油苷途徑的植物無法減弱TTSS基因表達，並且對不能解毒SFN的丁香假單胞菌菌株表現出更高的敏感性。化學蛋白質組學分析表明，SFN在HrpS的209位共價修飾半胱氨酸，HrpS是控制TTSS基因表達的關鍵轉錄因子。定點誘變和功能分析進一步證實，Cys209負責細菌對SFN的體外敏感性以及對脂族芥子油苷途徑賦予的植物防禦的敏感性。總的來說，這些結果揭示了植物解除病原細菌的武器的新機制。

主要結果

圖1.純化抑制丁香假單胞菌TTSS基因表達的擬南芥化合物

Figure 1. Purification of Arabidopsis Compounds Inhibiting P. syringae TTSS Gene Expression

圖2.質外體中的SFN可以抑制丁香假單胞菌TTSS基因表達並賦予對丁香假單胞菌的抗性

Figure 2. SFN in the Apoplast Can Inhibit P. syringae TTSS Gene Expression and Confer Resistance to P. syringae

圖3.生理濃度的SFN不會改變葉片微生物組

Figure 3. SFN at Physiological Concentrations Is Not Bactericidal and Does Not Alter Leaf Microbiota

(A) 不同濃度SFN對delter-sax細菌的抑制作用;

(B) 不同濃度的SFN抑制hrpL和trp的轉錄

(C) 基於有權重的UniFrac距離分析葉際微生物組群落結果，野生型與突變體間無顯著差異；

(D) 野生型、突變體的葉際，葉表微生物的門水平組成。統計門、綱、目、科、屬和ASV層面，在突變體和野生型間均無著差異，Wilcoxon秩和檢驗，P<0.05

圖4. SFN通過加快HrpL的上游抑制TTSS基因的轉錄

Figure 4. SFN Inhibits TTSS Gene Transcription through Acing Upstream of HrpL

圖5. SFN修飾HrpS

Figure 5. SFN Modifies HrpS

圖6.HrpS^Cys209是SFN作用的敏感位點

Figure 6. HrpS^Cys209Is Responsible for SFN Sensitivity

Wei Wang, Jing Yang, Jian Zhang, Yong-Xin Liu, Caiping Tian, Baoyuan Qu, Chulei Gao, Peiyong Xin, Shujing Cheng, Wenjing Zhang, Pei Miao, Lei Li, Xiaojuan Zhang, Jinfang Chu, Jianru Zuo, Jiayang Li, Yang Bai, Xiaoguang Lei & Jian-Min Zhou. An Arabidopsis Secondary Metabolite Directly Targets Expression of the Bacterial Type III Secretion System to Inhibit Bacterial Virulence. Cell Host & Microbe 27, 601-613.e607, doi:https://doi.org/10.1016/j.chom.2020.03.004 (2020).

周儉民研究組發現特異靶向病原細菌致病力的植物天然產物並闡明其作用的分子機制 http://www.genetics.cas.cn/xwzx/kyjz/202004/t20200409_5535850.html

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