Cell Reports | Alberto Macho/余刚合作揭示青枯菌操纵植物根部发育以促进侵染的新机制

责编 | 王一

青枯菌(劳尔氏细菌，Ralstonia spp.) 通过根部侵染超过54个科250多种植物，造成细菌性枯萎病，也被称为细菌性青枯病。青枯菌寄主范围广泛，包括多种重要的经济作物，如马铃薯、番茄、烟草、茄子、辣椒、花生、香蕉等，在农业生产上危害严重，且难以防治。青枯菌通过根部自然孔口和伤口进入植物维管组织后形成系统性侵染，是典型的维管束病害，对其致病机制一直研究的不够深入。

2024年5月1日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心Alberto Macho研究员课题组和上海交通大学农业与生物学院余刚副教授课题组在Cell Reports发表了题为“Cell wall-mediated root development is targeted by a soil-borne bacterial pathogen to promote infection”的研究论文，揭示了青枯菌分泌三型效应蛋白RipAC靶向纤维素合成复合体相关蛋白CSI1 (cellulose synthase-interactive protein 1)，减少纤维素合成，操纵植物侧根发育以增加侵染点的分子机制。

CSI1是植物细胞中连接纤维素合成复合体(CSC, cellulose synthase complex) 和微管的关键桥梁蛋白，与CSC和微管直接互作，正调控纤维素合成。青枯菌分泌效应蛋白RipAC破坏CSI1与CSC蛋白复合体的形成，负调控纤维素合成。有意思的是，表达RipAC和csi1突变体植物材料均表现出侧根增多的表型。且青枯菌自然侵染情况下，会诱导侧根发生，从而增加侵染点。该研究进一步利用纤维素合成抑制剂isoxaben和侧根诱导化合物BiAux处理植物后，接种青枯菌，均表现出更敏感表型，而植物侧根合成受损突变体均表现为更抗病表型。纤维素合成受影响后，青枯菌能更早更多地诱导侧根发生，表明了纤维素合成与侧根发生的相关性，及其对青枯菌侵染的影响。

综上所述，该研究揭示了土传病害青枯菌利用效应蛋白操纵植物侧根发育，从而增加侵染点而致病的分子机制，增加了对于土传病害操纵植物寄主发育的理解。

青枯菌操纵植物侧根发育分子机制模型

有意思的是， Alberto Macho课题组发现青枯菌RipAC是一个多功能效应蛋白，靶向植物不同的生物学过程：(1)RipAC靶向ETI关键调控蛋白SGT1，破坏MAPK对SGT1的磷酸化，从而抑制ETI抗病反应 (Yu et al., 2020)；(2)RipAC靶向E3泛素连接酶PUB4，从而调控BIK1蛋白的含量和磷酸化激活情况，抑制PTI抗病反应 (Yu et al., 2022)；(3)RipAC靶向纤维素合成调控蛋白CSI1，负调控细胞壁纤维素含量，促进侧根发生，增加病原菌侵染点 (Yu et al., 2024)。

该项工作由中国科学院分子植物科学卓越创新中心Alberto Macho课题组和上海交通大学农业与生物学院余刚课题组合作完成，余刚为本文第一作者和共同通讯作者，Alberto Macho研究员为本文共同通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士生张露，硕士生薛好、陈玉娇，分子植物科学卓越创新中心Rosa Lozano-Duran研究员 (现为德国图宾根大学教授)，赵春钊研究员和刘鑫博士后，西班牙马德里理工大学Juan C. del Pozo研究员都参与了该工作。本研究得到国家自然科学基金，中科院先导计划等基金资助。

参考文献：

Gang Yu, Lu Zhang, Hao Xue, Yujiao Chen, Xin Liu, Juan C. del Pozo, Chunzhao Zhao, Rosa Lozano-Duran, and Alberto P. Macho. Cell wall-mediated root development is targeted by a soil-borne bacterial pathogen to promote infection. Cell Reports, 2024, 43,114179.

Gang Yu, Lu Zhang, Keke Wang, Alberto P. Macho. Inoculation of Arabidopsis seedlings with Ralstonia solanacearum in sterile agar plates. STAR-Protocols, 2023, 4, 102474.

Gang Yu, Maria Derkacheva, Jose S. Rufian, Carla Brillada, Kathrin Kowarschik, Shushu Jiang, Paul Derbyshire, Miaomiao Ma, Thomas A. DeFalco, Rafael J. L. Morcillo, Lena Stransfeld, Yali Wei, Jian-Min Zhou, Frank L.H. Menke, Marco Trujillo, Cyril Zipfel, and Alberto P. Macho. The Arabidopsis E3 ubiquitin ligase PUB4 regulates BIK1 and is targeted by a bacterial type-III effector. The EMBO Journal, 2022, 41(23): e107257.

Gang Yu, Liu Xian, Hao Xue, Wenjia Yu, Jose Rufian, Yuying Sang, Rafael Morcillo, Yaru Wang, and Alberto P. Macho. A bacterial effector protein prevents MAPK-mediated phosphorylation of SGT1 to suppress plant immunity. PLoS Pathogens, 2020, 16(9):e1008933.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114179