Science | 柴继杰/王源超合作揭示一类新的植物-病原体互作模式及其机制
细胞壁是植物抵抗病原体侵染的重要防线，而病原体通过分泌多样化的细胞壁降解酶来促进病原体的致病性。2024年2月16日，清华大学/西湖大学柴继杰教授团队、南京农业大学王源超教授团队与合作者在Science上发表了题为A plant mechanism of hijacking pathogen virulence factors to trigger innate immunity的研究论文，揭示了植物通过劫持病原体细胞壁降解酶的活性来促进植物免疫的全新分子机制。
细胞壁是植物特有的细胞结构，由纤维素、半纤维素、果胶聚糖组成。细胞壁是病原体入侵植物的第一道也是最主要的防线，是病原体与植物免疫系统交锋的重要场所。为了突破这道屏障，病原体在入侵植物的初始阶段均会分泌大量细胞壁降解酶破坏植物细胞壁。相应的，植物已进化出多种机制来应对这些降解酶影响：包括分泌细胞壁降解酶抑制蛋白抑制其酶活性，或者利用模式识别受体（Pattern-recognition receptor, PRR）分别识别这些细胞壁降解酶或者细胞壁降解后的寡糖片段诱发植物PTI（pattern-triggered immunity）。
果胶多聚半乳糖醛酸水解酶（polygalacturonase, PG）在多种植物病原体（细菌、真菌、卵菌、线虫和昆虫）中均有发现。PG是病原体入侵植物过程中最早分泌的细胞壁降解酶之一，它对病原体的致病性必不可少。PG可以将果胶多聚半乳糖醛酸（polygalacturonic acid, PGA）水解成低聚半乳糖醛酸（oligogalacturonic acid, OG）。植物通过分泌PG抑制蛋白（PG-inhibiting protein, PGIP）来抑制PG酶活性。PGIP是仅含有胞外亮氨酸重复（LRR）结构域的蛋白，在所有高等植物基因组中均有编码。
该研究首次解析了分辨率为1.93Å菜豆PGIP (PvPGIP2)与镰刀菌PG (FpPG) 复合物结构。出乎意料的是，与之前所有报道的相关复合物结构不同，PvPGIP2并未结合在FpPG的酶活中心处，这表明PvPGIP2有不同的FpPG抑制机制（图1）。
图1 PvPGIP2与FpPG互作形成一个新酶。（A）FpPG-PvPGIP2N274D复合物结构在两个方向上的卡通图示。（B）FpPG的底物结合口袋由红星标注出，其未受到PvPGIP2的干扰。（C、D）PvPGIP2N274D识别FpPG的具体互作机制。（E）FpPG-PvPGIP2N274D复合物结构与底物结合状态下SpPG-two OG1s结构的叠合比对。
体外酶活实验与植物功能实验表明：PvPGIP2-FpPG水解PGA的OG产物中含有比例较大的长链OG （OG10-15），其作为免疫激活子可诱导植物PTI响应；而FpPG水解PGA的产物中含有比例较大的短链OG （OG2-7），几乎不含有长链OG10-15。OG2-7可以有效地抑制PTI响应。因此，PvPGIP2巧妙地利用了病原体FpPG的酶活性，通过改变病原体FpPG酶活产物的分布，从而激活植物PTI响应。
研究人员进一步揭示了PGIP-PG生成长链OG10-15的分子机制：PvPGIP2与FpPG结合后形成了一个全新的、更长的底物OG结合口袋，PvPGIP2增强了底物OG与FpPG的结合能力。PvPGIP2-FpPG是一个全新的多聚半乳糖醛酸水解酶，它与FpPG具有不同的底物选择性和催化活性。以解析的高分辨率PvPGIP2-FpPG复合物结构为基础，研究者对PGIP进行了工程化改造。结果表明，改造后的PGIP具有了产生更多OG10-15的能力，并且能够使得改造后的PGIP获得新的PG识别功能。
综上所述，该研究揭示了PGIP-PG介导植物免疫的分子机制（图2）。目前已有很多证据表明病原体利用效应蛋白劫持宿主体内信号通路、抑制植物免疫以促进其侵染宿主。该研究显示植物可以利用类似的机制，反向劫持病原体效应蛋白，从而激活植物免疫。该研究为植物与病原体互作领域提供了一个全新的研究范式，也为植物抗病育种提供了新的策略。同时，该项研究也为研究动物与病原体互作提供了思路。
图2 PGIP-PG介导的植物免疫响应。PG/PGIP-PG水解PGA的产物分别以短链或长链OGs为主，分别起到抑制PTI响应或通过受体WAKs激活PTI响应的效果。
清华大学水木学者、北京生物结构前沿中心卓越学者、生命学院博士后肖裕，南京农业大学博士后孙广正，清华大学博士生余强胜为本论文的并列第一作者。清华大学博士生高腾，南京农业大学研究生朱秦胜、王睿，西湖大学博士后黄诗嘉参与了本论文相关实验。清华大学齐天从教授，中国科学院大连化学物理研究所尹恒研究员，罗马大学Felice Cervone教授，西湖实验室韩志富研究员也为本论文做出了重要贡献。西湖大学/清华大学柴继杰教授、南京农业大学王源超教授为本论文的共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金、国家重大研发计划等项目的支持。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj9529
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