Cell： 将植物变成“僵尸”的微生物分子

一种新发现的寄生细菌用于减缓植物衰老的操纵机制，可能为保护受疾病威胁的粮食作物提供新方法。 研究已经确定了一种由植原体细菌产生的操纵分子来劫持植物发育。 在植物内部时，这种蛋白质会导致关键的生长调节剂被分解，从而引发异常生长。 新发现显示了被称为 SAP05 的细菌蛋白质如何通过利用宿主自身的一些分子机制来操纵植物。

一种新发现的寄生细菌用于减缓植物衰老的操纵机制，可能为保护受疾病威胁的粮食作物提供新方法。

寄生虫操纵它们赖以生存的有机体以满足它们的需要，有时以激烈的方式。 当受到寄生虫的影响时，一些植物会发生如此广泛的变化，以至于它们被描述为“僵尸”。 它们停止繁殖，仅作为寄生病原体的栖息地和宿主。

到目前为止，人们对这在分子和机械水平上是如何发生的知之甚少。

John Innes 中心的 Hogenhout 小组和合作者发表在 Cell 上的研究确定了一种由植原体细菌产生的操纵分子来劫持植物发育。 当在植物内部时，这种蛋白质会导致关键的生长调节剂被分解，从而引发异常生长。

植原体细菌属于一组微生物，它们以重新编程宿主植物发育的能力而臭名昭著。 这组细菌通常是导致树木中出现的“女巫”扫帚的原因，在那里，过多的树枝长在一起。

这些浓密的生长物是植物陷入植物人“僵尸”状态的结果，无法繁殖，因此会发展为“永远年轻”的状态。

植原体细菌还会导致毁灭性的作物病害，例如紫菀黄病，它会导致谷物和叶类作物（如生菜、胡萝卜和谷物）的产量大幅下降。

该研究的通讯作者 Saskia Hogenhout 教授说：“植原体是一个壮观的例子，说明基因的影响范围可以延伸到生物体之外影响周围环境。

“我们的研究结果揭示了这种扩展表型背后的分子机制，有助于解决粮食生产的一个主要问题。我们强调了一种有前景的工程植物策略，以实现作物对植原体的持久抗性。”

新发现显示了被称为 SAP05 的细菌蛋白质如何通过利用宿主自身的一些分子机制来操纵植物。

这种称为蛋白酶体的机器通常会分解植物细胞内不再需要的蛋白质。 SAP05 劫持了这个过程，导致在调节生长和发育中很重要的植物蛋白被有效地扔到分子回收中心。

如果没有这些蛋白质，植物的发育就会被重新编程以有利于细菌，引发多个营养枝条和组织的生长，并阻止植物衰老。

通过对模式植物拟南芥的遗传和生化实验，研究小组详细揭示了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。 直接结合是一种新发现的降解蛋白质的方法。 通常，被蛋白酶体降解的蛋白质事先会被称为泛素的分子标记，但这里的情况并非如此。

SAP05 靶向的植物发育蛋白质与在动物中也发现的蛋白质相似。 该团队很想知道 SAP05 是否因此也会影响携带细菌植物种植的昆虫。 他们发现动物体内这些宿主蛋白的结构差异很大，它们不会与 SAP05 相互作用，因此不会影响昆虫。

然而，这项调查使团队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昆虫蛋白中的两种氨基酸，它们就不会再被 SAP05 降解，从而防止“女巫”扫帚异常生长。

这一发现提供了在作物中仅调整这两种氨基酸的可能性，例如使用基因编辑技术，以提供对植原体和 SAP05 影响的持久恢复力。

Weijie Huang, Allyson M. MacLean, Akiko Sugio, Abbas Maqbool, Marco Busscher, Shu-Ting Cho, Sophien Kamoun, Chih-Horng Kuo, Richard G.H. Immink, Saskia A. Hogenhout. Parasitic modulation of host development by ubiquitin-independent protein degradation. Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.cell.2021.08.029

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