SFN抑制分泌系统表达的分子模式图

特异靶向病原细菌致病力的植物天然产物并阐明其作用的分子机制

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(王伟)^1,5,8, Jing Yang(杨靖)^3,8

通讯作者：Xiaoguang Lei(雷晓光 xglei@pku.edu.cn)², Jian-Min Zhou(周俭民 jmzhou@genetics.ac.cn)^1,5,9

其他作者：Jian Zhang,² Yong-Xin Liu(刘永鑫),^1,7 Caiping Tian,³ Baoyuan Qu(曲宝原),^1,7 Chulei Gao(高初蕾),^1,5 Peiyong Xin(辛培勇),⁴ Shujing Cheng,^4,5 Wenjing Zhang,^1,5 Pei Miao,^1,5 Lei Li,⁶ Xiaojuan Zhang(张晓娟),¹ Jinfang Chu(褚金芳),⁴ Jianru Zuo(左建儒),^1,5 Jiayang Li(李家洋),^1,5 Yang Bai(白洋),^1,5,7

作者单位：

1 爱尔兰科克大学爱尔兰APC微生物组和微生物学院 (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. 中国科学院，种子创新研究院，遗传与发育生物学研究所，植物基因组学国家重点实验室 (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. 北京大学(Peking University)
3. 国家蛋白质中心(State Key Laboratory of Proteomics, Beijing Proteome Research Center, National Center for Protein Sciences Beijing, Beijing Institute of Lifeomics)
4. 中国科学院遗传与发育生物学研究所，国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. 中国科学院大学，生物互作卓越创新中心(CAS Center for Excellence in Biotic Interactions, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
6. 德国马克斯·普朗克发育生物学研究所分子生物学中心(Department of Molecular Biology, Max Planck Institute for Developmental Biology)
7. 中国科学院遗传与发育生物学研究所，中国科学院-英国约翰英纳斯中心植物和微生物科学联合研究中心(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)

导读

当植物受到病原微生物侵染时，植物会释放大量的次生代谢物抑制病原、保护自己。以前对植物抗菌代谢物活性的认知主要基于多数抗菌代谢物在体外具有杀菌或抑菌的活性，但不加选择得杀灭病原微生物和有益微生物显然不利于植物的正常生长。

2020年4月8号，中国科学院遗传发育生物学研究所周俭民组、北京大学雷晓光组和国家蛋白质中心杨靖组合作在Cell Host & Microbe在线发表了题为 “An Arabidopsis secondary metabolite directly targets expression of the bacterial type III secretion system to inhibit bacterial virulence”的文章，该研究发现了特异靶向病原细菌的植物天然产物Sulforaphane（SFN）并阐明了其作用的分子机制。

大多数革兰氏阴性病原细菌，比如丁香假单胞菌，利用其分泌系统向宿主细胞内分泌致病蛋白，干扰宿主的生命活动，导致病害。本研究首次发现十字花科植物特有天然产物SFN特异共价修饰调控分泌系统表达的转录因子，抑制病原细菌的致病力、增强植物的抗病性。更为重要的是，SFN不影响有益微生物在植物上的定殖。这项工作首次发现植物合成识别敌友的“机智”天然产物，加深了我们对植物抗菌代谢物的认知。

中国科学院遗传与发育生物学研究所王伟博士和国家蛋白质中心的杨靖博士为论文的共同第一作者，周俭民研究员和雷晓光教授为共同通讯作者。褚金芳研究团队和白洋研究团队也参与了这项工作。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院国际合作重点项目和植物基因组学国家重点实验室的资助。

研究亮点

• 植物次生代谢物sulforaphane(SFN)抑制丁香假单胞菌TTSS基因
• SFN积累有缺陷的植物更容易感染丁香假单胞菌
• SFN共价修饰HrpS的Cys 209并调节TTSS表达
• SFN防御丁香假单胞菌的功能是通过HrpSCys209修饰介导的

摘要

植物利用各种次级代谢产物来抵御病原体的侵袭。尽管通常认为防御性化合物对微生物有毒，但确切的机制通常是未知的。在这里，我们显示拟南芥防御化合物萝卜硫素（sulforaphane, SFN）的功能主要是通过抑制丁香假单胞菌III型分泌系统（TTSS）基因，这对于发病机理至关重要。缺少不积累SFN的脂肪族芥子油苷途径的植物无法减弱TTSS基因表达，并且对不能解毒SFN的丁香假单胞菌菌株表现出更高的敏感性。化学蛋白质组学分析表明，SFN在HrpS的209位共价修饰半胱氨酸，HrpS是控制TTSS基因表达的关键转录因子。定点诱变和功能分析进一步证实，Cys209负责细菌对SFN的体外敏感性以及对脂族芥子油苷途径赋予的植物防御的敏感性。总的来说，这些结果揭示了植物解除病原细菌的武器的新机制。

主要结果

图1.纯化抑制丁香假单胞菌TTSS基因表达的拟南芥化合物

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

图2.质外体中的SFN可以抑制丁香假单胞菌TTSS基因表达并赋予对丁香假单胞菌的抗性

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

图3.生理浓度的SFN不会改变叶片微生物组

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

(A) 不同浓度SFN对delter-sax细菌的抑制作用;

(B) 不同浓度的SFN抑制hrpL和trp的转录

(C) 基于有权重的UniFrac距离分析叶际微生物组群落结果，野生型与突变体间无显著差异；

(D) 野生型、突变体的叶际，叶表微生物的门水平组成。统计门、纲、目、科、属和ASV层面，在突变体和野生型间均无著差异，Wilcoxon秩和检验，P<0.05

图4. SFN通过加快HrpL的上游抑制TTSS基因的转录

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

图5. SFN修饰HrpS

Figure 5. SFN Modifies HrpS

图6.HrpS^Cys209是SFN作用的敏感位点

Figure 6. HrpS^Cys209 Is Responsible for SFN Sensitivity

Reference

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).

周俭民研究组发现特异靶向病原细菌致病力的植物天然产物并阐明其作用的分子机制 http://www.genetics.cas.cn/xwzx/kyjz/202004/t20200409_5535850.html

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