Plant Cell | 西北农林科技大学康振生/张新梅课题组揭示条锈菌操纵寄主质外体酸碱平衡促进侵染的分子机制

植物与病原菌在长期斗争中演化出精妙的攻防策略。质外体作为重要的细胞外空间，不仅负责细胞物质的运输与交换，更是环境信号（如非生物胁迫及病原菌）触发信号转导级联反应的关键场所，而这些过程的高效调控依赖于质外体pH稳态。因此，许多病原菌会通过操控质外体pH抑制宿主免疫，为自身侵染和增殖创造有利条件，但这一调控机制的具体细节尚未明确。

近日，西北农林科技大学康振生院士/张新梅副教授课题组在国际著名学术期刊Plant Cell在线发表了题为The rust effector PstCFEM2 manipulates TaHA2 and TaCIPK9–mediated apoplastic acidification to promote wheat susceptibility的研究论文，揭示了条锈菌（Puccinia striiformis f. sp. tritici, Pst）效应蛋白PstCFEM2通过操控TaHA2-TaCIPK9模块介导小麦质外体酸化以促进感病的分子机制。该研究证明TaHA2是一个关键的感病基因，敲除它既能赋予广谱抗病性又不影响农艺性状，为培育持久、广谱抗病小麦新品种提供了优质靶点及种质资源。

为阐明小麦与条锈菌互作过程中的pH动态变化，该研究测定了接种Pst无毒小种CYR23和毒性小种CYR31的小麦叶片胞内外pH值，结果表明毒性小种的侵染会导致小麦细胞质外体明显酸化，而质膜H⁺-ATPase是负责将H⁺转运到质外体的主要蛋白。

为探究小麦与Pst互作中观察到的pH动态变化是否与质膜H⁺-ATPase相关，研究人员从转录组数据库中鉴定到27个小麦质膜H⁺-ATPase，进一步分析表明TaHA2响应条锈菌诱导显著上调表达。在小麦中过表达TaHA2能够显著诱导质外体酸化，导致气孔开度增加，促进条锈菌的侵染。沉默或敲除TaHA2能够显著增强小麦对锈病广谱抗性，且不影响其正常生长和农艺性状。

进一步机制表明钙调磷酸酶B样互作蛋白激酶TaCIPK9作为一个正调控因子能够与TaHA2在细胞膜上发生相互作用，并磷酸化其第933位丝氨酸，增强其C端自抑制区与中央环的互作，从而降低质子泵活性，维持质外体酸碱平衡。而条锈菌分泌的PstCFEM2能够与TaCIPK9竞争性结合TaHA2的C端自抑制区，阻断其与TaCIPK9的互作及磷酸化过程，导致TaHA2过度激活，进而引起质外体酸化及气孔开度增加，最终促进条锈菌的侵染（图1）。

图1. PstCFEM2竞争性抑制TaCIPK9介导的TaHA2磷酸化促进质外体酸化和气孔开放

综上表明，该研究不仅揭示了病原真菌通过分泌效应蛋白靶向宿主质子泵，操纵质外体pH以促进感染的完整分子机制（图2），同时为通过基因编辑等技术培育持久、广谱抗病小麦新品种提供了明确的理论框架和优质靶点。

图2. PstCFEM2通过操控宿主TaHA2-TaCIPK9 模块促进感病的工作模型

西北农林科技大学博士生张艳琴和博士后郭双元为论文第一作者。康振生教授和张新梅副教授为本文的通讯作者。感谢西北农林科技大学王存教授和山西师范大学郜刚教授在实验思路设计方面提供的重要帮助；感谢西北农林科技大学詹刚明教授惠赠小麦秆锈菌与叶锈菌菌株；感谢重点实验室张琼、赵华、袁凤平、张雯婷几位老师在实验技术上的支持。本研究得到国家自然科学基金、国家现代农业产业技术体系等项目资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1093/plcell/koag021