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Nature | 新发现！植物防御真菌侵染的新机制

花匠小妙招
2024-11-30 19:11

　　黑穗病(Maize smut disease)是玉米生产中的主要病害之一。黑穗病的致病菌为活体营养型真菌玉米黑粉菌(Ustilago maydis)，该真菌可通过分泌大量的效应蛋白，对宿主代谢途径进行重编程并干扰植物免疫防御反应。通常情况下，植物病原真菌、卵菌、线虫等会分泌分支酸变位酶和异分支酸酶来干扰水杨酸的生物合成，而水杨酸作为病原物的先天免疫应答的中心信号一旦被阻碍就会导致植物遭受病原菌的侵染【1-3】。研究表明，真菌侵染植物时，分支酸变位酶（chorismate mutase）Cmu1特异性高表达。Cmu1属于分支酸变位酶的AroQ家族，催化苯丙氨酸和酪氨酸生物合成中的分叉点反应。在真菌定植期间，Cmu1进入植物细胞的胞质中，阻止水杨酸的生物合成，使真菌成功侵染植物【4】。

　　2019年1月16日，德国马普所的研究人员与合作者在Nature上在线发表了题为A kiwellin disarms the metabolic activity of a secreted fungal virulence factor的研究论文，揭示了一种玉米kiwellin蛋白通过抑制分支酸变位酶Cmu1活性阻止真菌侵染的机制。该研究解析了Cmu1的晶体结构，并发现Cmu1的互作蛋白ZmKWL1（kiwellin蛋白家族）能使玉米免受U. maydis的侵染。通过对Cmu1–ZmKWL1复合体进行解析，发现ZmKWL1以两个单体形式与Cmu1的同源二聚体的活性位点相结合，进而解除Cmu1对植物代谢途径的重编程，阻止真菌侵染，从而保护植物正常生长发育。

　　研究人员对Cmu1结构解析发现，Cmu1以同源二聚体形式存在，其中每个单体含有9个α-螺旋，螺旋α2和相邻的Loop环区域形成调控色氨酸和酪氨酸的结合位点，同时发现螺旋α2周围存在额外的α-螺旋（α2a）和Loop环区域（extensive loop region, ELR）（如下图），此结构可能是其对玉米胞质中氨基酸水平的波动表现出抗性的原因。随后研究人员提出了一个问题：植物是否存在阻碍Cmu1酶活性的策略，以控制侵染过程。

　　分支酸变位酶Cmu1的同源二聚体形式(a)及其重叠单体的氨基酸结合位点(b)

　　为了鉴定影响Cmu1活性的潜在因子，研究人员通过免疫共沉淀（co-IP）结合LC-MS的方式发现了一个玉米蛋白 (annotation: GRMZM2G073114)，其与来自猕猴桃的kiwellin蛋白（KWL1）存在氨基酸序列同源性。该蛋白被命名为ZmKWL1，并证明ZmKWL1作为植物的防御蛋白保护植物免受U. maydis的侵染。

　　随后，研究人员解析了Cmu1–ZmKWL1复合体的晶体结构，发现ZmKWL1由9条β-链（命名为β1至β9）和一条连接β8和β9的短α-螺旋区组成。Cmu1-ZmKWL1主要通过极性和非极性相互作用结合，环L1、L2和L3对ZmKWL1与Cmu1的相互作用至关重要。两个ZmKWL1分子聚集在Cmu1同源二聚体的活性位点附近，隐藏氨基酸底物的催化位点（如下图）。

　　(a) Cmu1(绿色)和ZmKWL1(蓝色)复合体，红色为柠檬酸盐；(b) ZmKWL1由β-桶状结构中心和在其N端以β1和β2反向平行方式形成的β-折叠组成；(c) ZmKWL1(灰色和透明)阻止底物进入Cmu1的活性位点

　　Kiwellins存在于大多数植物中，许多单子叶植物编码超过20个kiwellins。ZmKWL1在玉米细胞中产生，可能通过N-端信号肽分泌到质外体；在质外体，ZmKWL1结合Cmu1并抑制其活性。除了ZmKWL1之外，玉米基因组还编码19种kiwellin蛋白，而这些蛋白的同源靶标依然未知。ZmKWL1中与Cmu1相互作用所需的所有区域在玉米的不同kiwellin蛋白中是高度可变的。对ZmKWL1的三种不同旁系同源物的研究表明：它们不能与Cmu1相互作用且不能抑制分支酸变位酶活性。因此，研究人员推测玉米其他kiwellins可能特异性地针对另外一些未知的真菌效应物。

　　kiwellin作用机制示意图

　　我们对kiwellin蛋白的了解很少，目前已知的是，kiwellin蛋白在人类对猕猴桃引起的过敏反应中起作用【5, 6】。本文研究表明，kiwellins可以作为植物防御蛋白，以高特异性抑制入侵真菌的毒力因子活性。此外，在诸多文献报道中也发现此类蛋白在病原体入侵过程高表达的现象。因此，kiwellins可能是广泛且通用的支架蛋白，用于抵抗病原菌分泌的效应因子。

　　参考文献

　　1. Bekal, S., Niblack, T. L. & Lambert, K. N. A chorismate mutase from the soybean cyst nematode Heterodera glycines shows polymorphisms that correlate with virulence. Mol. Plant Microbe Interact. 16, 439–446 (2003).

　　2. Doyle, E. A. & Lambert, K. N. Meloidogyne javanica chorismate mutase 1 alters plant cell development. Mol. Plant Microbe Interact. 16, 123–131 (2003).

　　3. Liu, T. et al. Unconventionally secreted effectors of two filamentous pathogens target plant salicylate biosynthesis. Nat. Commun. 5, 4686 (2014).

　　4. Djamei, A. et al. Metabolic priming by a secreted fungal effector. Nature 478,395–398 (2011).

　　5. Offermann, L. R. et al. Elusive structural, functional, and immunological features of Act d 5, the green kiwifruit kiwellin. J. Agric. Food Chem. 63, 6567–6576(2015).

　　6. Hamiaux, C. et al. Crystal structure of kiwellin, a major cell-wall protein from kiwifruit. J. Struct. Biol. 187, 276–281 (2014).