【LorMe周刊】利用基因组尺度代谢网络模型解析青枯菌的生存与致病权衡
作者：高国柳，南京农业大学硕士在读，主要研究青枯菌多态性与动态阻控。
代谢网络调控是病原菌进行有效资源配置的重要途径。那么病原菌如何通过资源配置调控其生存与致病权衡？什么因素主导了病原菌的这种权衡？生存与致病权衡对病原菌代谢功能的影响又是如何？针对以上问题，法国农科院高级研究员Stéphane Genin团队以青枯菌模式菌株GMI1000为对象，通过生物信息学分析构建基因组尺度代谢网络（GSMN）模型，量化青枯菌对资源的摄取、毒力因子的分泌和生长之间的关系。作者结合GSMN、通量平衡分析、基因敲除和高通量表型分析，首次证实了病原菌生长能力与毒力因子生产能力之间的权衡关系，揭示了群体感应调控因子PhcA在病原菌生存与致病权衡过程中的代谢调控机制。
GSMN模型中大分子模块的主要生物功能及其物质能量转化关系
通过生物信息学分析，作者构建了一个包含1825个生化反应和280个与环境的交互反应的首个青枯病GSMN模型。该模型可以量化青枯菌对底物的摄取与转化、毒力因子的分泌、生长能力及其与环境的交互作用等过程（图1A）。基于物质摄入与转化过程中的能量守恒原则（通量平衡），作者发现青枯菌摄取底物资源后，若毒力因子的分泌受限，用于生长的资源会增加，则生长速率提高。为验证模型的可靠性，作者采用Biolog PM高通量表型分析系统鉴定了青枯菌在不同碳、氮、磷、硫以及环境胁迫等864种条件下的生长情况，发现模型预测与试验检测的资源利用能力存在良好的对应关系（图1B），模型预测的准确率高达91.3%（图1C），能够很好的反应菌株对资源的利用情况。
图1 GSMN模型的构建与高通量表型验证
为定量验证GSMN模型的准确度，作者比较了菌株最大生长速率的预测结果与试验结果之间的差异，监测了单一底物L-谷氨酸的消耗速率（图2A）及其代谢中间产物的释放速率（图2B），发现预测生长速率比实验值高了57%。这可能由于毒力因子（如胞外多糖EPS等）的生物合成消耗了L-谷氨酸的能量，剥削了青枯菌生长（biomass）所需要的资源（图2C）。为模型预测的生存与致病权衡关系，作者构建了EPS生物合成基因eps缺失突变株（GRS825），发现其在基础培养基中的生长速率显著提高（图2D）。为进一步验证EPS的生物合成对青枯菌生长能力的影响，实验加入了调节EPS生物合成调控子的xpsR突变株以及一个无毒突变株phcA（操控病原菌致病能力的群体感应调控因子）。结果显示，xpsR突变株生长速率显著高于野生型菌株和eps突变株，而phcA突变株的生长速率最大（图2E）。有意思的十，无毒力因子产生的phcA突变株的最大生长速率与模型预测的最大生长率完美契合（图2F）。这些结果表明，胞外多糖等毒力因子的合成和分泌会占据病原菌生长成本，降低其生长速度，从模型和实验两个层面揭示了病原菌生存能力与致病能力之间的权衡关系。
图2 青枯菌生长能力与毒力因子产生能力之间的权衡
为探究毒力因子的产生对青枯病生长能力的代谢调控机制，作者测定了phcA突变株和另外两种主要毒力调控因子（hrpB：编码III型毒力因子分泌系统的调节因子；hrpG：编码植物多致病性功能的信号响应调节因子；二者均受PhcA调控）缺陷株的代谢谱。高通量表型分析表明，hrpB和 hrpG突变株的资源利用能力与野生型相似，而phcA突变株的资源代谢谱明显更广（图3A），比野生型菌株多利用17种特异性资源。作者将生化反应网络预测的代谢能力与通过phcA突变株实验得出的代谢能力进行了比较，发现phcA突变株的测试数据在精度、灵敏度和准确性上都高于野生型菌株（图3B）。为验证PhcA的代谢调控作用，作者在随机挑选了物种特异性资源，检测了不同菌株在基础培养基中对特异性资源的利用能力。结果显示（图3C），phcA突变株在这五种底物上的生长速率显著高于野生型菌株以及hrpB和 hrpG突变株。上述结果表明，PhcA不仅控制着青枯菌对不同资源的利用能力，还控制着青枯菌对资源的利用效率，通过协同代谢网络调控青枯菌的生存与致病权衡。
图3 PhcA通过代谢调控影响青枯菌的生存与致病权衡
文章构建了首个土传植物病原细菌的基因组尺度代谢网络模型，揭示了青枯菌生存和致病权衡的代谢调控机制，阐明了PhcA在调控青枯菌生长和毒力因子产生过程中的关键作用。青枯菌phcA突变株不仅具有更高的生长速率，而且可以利用更多类型的资源，但丧失了致病能力。这种权衡机制也为我们研究如何应对土传青枯病提供了思路，通过探究青枯菌在根际入侵过程中关键的生物学过程，瞄准调控青枯菌生存与致病权衡的关键因子，靶向设计绿色生物产品，从而实现土传青枯病的精准阻控。
论文信息
原名：A Resource Allocation Trade-Off between Virulence and Proliferation Drives Metabolic Versatility in the Plant Pathogen Ralstonia solanacearum
译名：生存和致病之间的资源分配权衡驱动青枯病菌的代谢多功能性
期刊：PLOS Pathogens
发表时间：2016年10月
通讯作者：Stéphane Genin
通讯作者单位：法国农科院植物与微生物互作中心LIPM
Doi：10.1371/journal.ppat.1005939