Cell：揭示细菌蛋白SAP05将植物宿主变成“僵尸”

2021年9月19日讯/生物谷BIOON/---寄生细菌操纵它们赖以生存的有机体来满足它们自身的需求，有时会以激烈的方式。在受到寄生细菌的影响下，一些植物经历了极其广泛的变化，以至于它们被称为“僵尸”。它们停止繁殖，只作为寄生细菌的栖息地和宿主。到目前为止，人们对这种情况是如何在分子和机制层面上发生的了解很少。

在一项新的研究中，来自英国约翰内斯中心、东安格利亚大学、荷兰瓦格宁根大学和中国台湾中央研究院植物与微生物研究所的研究人员鉴定出一种由植原体（Phytoplasma）产生的蛋白劫持植物发育。当进入植物体内时，这种蛋白会导致关键的SPL和GATA生长调节剂被分解，从而引发植物异常生长。相关研究结果于2021年9月17日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Parasitic modulation of host development by ubiquitin-independent protein degradation”。

植原体是植物菌原体的简称，是引起园林植物病害的一类重要的细菌病原体。它们属于一组因能够重编程其宿主植物的发育而广为人所知的微生物。这组细菌通常导致树木中看到的簇叶病（witches' brooms），即过多的树枝紧挨在一起生长。这些浓密的枝干是植物处于“僵尸”状态的结果，在这种状态下，它们无法繁殖，因此会进入“永葆青春”状态。植原体还可以引起毁灭性的作物疾病，如对谷物和叶类作物（如生菜、胡萝卜和谷物）造成重大的产量损失的紫苑黄化病（Aster Yellows）。

论文通讯作者、约翰内斯中心的Saskia Hogenhout教授说，“植原体是一个很好的例子，说明基因的影响范围可以超出有机体，影响周围的环境。我们的研究结果为这种扩展表型背后的分子机制带来了新的启示，这可能能帮助解决食品生产的一个主要问题。我们强调了一种有希望的策略，用于对植物进行改造以实现作物对植原体的持久抗性水平。”

这些新的发现展示了这种称为SAP05的细菌蛋白如何通过利用宿主自身的某种分子机器来操纵植物。这种称为蛋白酶体的分子机器通常会分解植物细胞内不再需要的蛋白质。SAP05劫持了这一过程，导致对调节生长和发育很重要的植物蛋白被有效地扔进了这种分子回收中心。如果没有这些蛋白质，植物的发育就会被重编程而有利于细菌的生长，从而触发多个营养枝和组织的生长，并延缓植物的衰老。

通过对模式植物拟南芥的遗传和生化实验，这些作者详细地揭示了SAP05的作用。有趣的是，SAP05直接与植物发育蛋白和蛋白酶体结合。这种直接结合是一种新发现的降解蛋白质的方式。通常情况下，被蛋白酶体降解的蛋白质会事先被一种叫做泛素的分子标记，但这里的情况并非如此。

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.08.029。

SAP05靶向的植物发育蛋白与也在动物中发现的蛋白相似。因此，这些作者很想知道SAP05是否也会影响携带细菌的昆虫。他们发现，动物体内这些宿主蛋白的结构有足够的差异，它们不会与SAP05相互作用，因此不会影响昆虫。

然而，这项调查使得这些作者能够确定蛋白酶体单元中与SAP05相互作用所需的两个氨基酸。他们的研究表明，如果将植物蛋白换成在昆虫蛋白中发现的两个氨基酸，它们就不会再被SAP05降解，从而防止簇叶病中的异常生长。

这一发现提供了在作物中调整这两个氨基酸的可能性，例如使用基因编辑技术，以提供对植原体和SAP05影响的持久抵抗性。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Weijie Huang et al. Parasitic modulation of host development by ubiquitin-independent protein degradation. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.08.029.