北京時間2020年6月15日晚23時，植物學(xué)期刊Nature Plants在線發(fā)表了我校津田賢一教授團(tuán)隊最新研究成果。研究人員利用植物體內(nèi)原位細(xì)菌轉(zhuǎn)錄組及蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，建立了病原細(xì)菌基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，報道了被寄主免疫系統(tǒng)攻擊的病原細(xì)菌主要調(diào)控途徑，并發(fā)現(xiàn)了植物免疫系統(tǒng)能夠靶標(biāo)病原菌的第三類分泌系統(tǒng)元件，進(jìn)而抑制病原細(xì)菌生長。津田賢一為論文通訊作者，索爾克生物研究所博士Tatsuya Nobori、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院王一鳴教授為論文共同第一作者。

植物體內(nèi)原位細(xì)菌轉(zhuǎn)錄組及蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)揭示病原細(xì)菌基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以及植物免疫系統(tǒng)特異性抑制細(xì)菌侵染機(jī)制。

細(xì)菌致病因子的表達(dá)和植物免疫成分的變化形成了植物與微生物相互作用過程中的復(fù)雜關(guān)系。對這種復(fù)雜互作過程的深入研究，對全面理解細(xì)菌如何引起植物病害以及植物如何保護(hù)自己免受病原菌侵染至關(guān)重要。但由于兩個主要瓶頸的存在，限制了人們對病原菌如何應(yīng)答植物免疫反應(yīng)的探究。其一是如何從植物宿主細(xì)胞內(nèi)部成功分離出含量極低的細(xì)菌RNA？為了克服這一障礙，Tatsuya Nobori博士和王一鳴教授及其同事利用實驗室先前建立的病原菌分離方法從植物葉片中富集細(xì)菌RNA。第二，細(xì)菌RNA的水平變化通常不能反應(yīng)出實際的蛋白質(zhì)表達(dá)。因此，研究人員通過同時分析細(xì)菌RNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)來解決這一問題。

為了研究感染期間細(xì)菌基因的表達(dá)模式，研究人員選取了模式細(xì)菌丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae）和擬南芥作為研究材料。通過對丁香假單胞菌的RNA及蛋白質(zhì)的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)病原菌在宿主侵染過程中的RNA及蛋白表達(dá)與體外培養(yǎng)相比，存在較大差異，尤其是在植物與病原菌互作早期，說明這些早期基因表達(dá)模式的變化對侵染植物過程至關(guān)重要。同時，為了了解植物免疫對細(xì)菌基因表達(dá)的影響，研究人員選取了與植物免疫過程相關(guān)的擬南芥突變植株。細(xì)菌轉(zhuǎn)錄及蛋白在不同突變體植株中變化的分析表明，受水楊酸（salicylic acid，SA）調(diào)控的植物免疫參與了對細(xì)菌致病相關(guān)mRNA和蛋白質(zhì)的抑制過程。

通過對細(xì)菌轉(zhuǎn)錄與蛋白組學(xué)數(shù)據(jù)的比較，研究人員發(fā)現(xiàn)SA介導(dǎo)的植物免疫對細(xì)菌基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的抑制具有高度的一致性。值得一提的是，SA介導(dǎo)的植物免疫不僅能夠特異的抑制病原菌第三類分泌途徑尖端，介導(dǎo)病原毒性蛋白進(jìn)入宿主體內(nèi)的特殊蛋白的累積。同時，也能夠影響病原菌移動相關(guān)的蛋白表達(dá)。且這些抑制僅發(fā)生在蛋白水平，而RNA水平并無明顯變化。

津田賢一教授及其團(tuán)隊獲得的大量多組學(xué)數(shù)據(jù)使得他們能夠進(jìn)一步分析病原菌侵入過程中每個細(xì)菌基因的表達(dá)及調(diào)控方式。通過對4500個基因的表達(dá)進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)及聚類分析，研究人員鑒定出許多功能未知的基因簇能夠參與細(xì)菌生長過程;同時，也幫助作者成功預(yù)測出先前未知的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，并進(jìn)一步驗證了這些因子確實參與了相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控和與病原菌致病性。

此研究對分析植物與病原微生物相互作用的過程中，細(xì)菌遺傳信息如何轉(zhuǎn)化為功能蛋白提供了一種解決方案。還有助于深入了解植物免疫抑制病原菌侵染的分子機(jī)制。該研究方法可潛在用于研究包括作物在內(nèi)的不同植物物種以及包括病原體與共生體在內(nèi)的不同細(xì)菌物種，從而獲得可直接用于優(yōu)化作物分子育種的見解。

該項目獲得華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高水平人才項目支持、馬克斯·普朗克科學(xué)促進(jìn)學(xué)會德國科學(xué)基金會和農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國家重點實驗室的資助。