Plant Physiol | 小麦白粉病菌双功能效应蛋白Bgt5481调控植物免疫与致病性的机制

来源：市场资讯

（来源：小麦研究联盟）

研究背景

小麦白粉病由专性活体营养型真菌小麦白粉病菌（Blumeria graminis f. sp. tritici, 简称 Bgt）引起，是一种全球性的毁灭性真菌病害，严重威胁小麦的产量与粮食安全。在感染过程中，病原菌会分泌大量效应蛋白（Effectors）进入宿主细胞或质外体，以操纵宿主的生理过程并抑制免疫反应。尽管近年来全基因组测序预测了数百个 Bgt 候选效应蛋白，但由于缺乏高效的遗传转化体系，大部分效应蛋白的功能仍是未解之谜。特别是那些既能作为病原相关分子模式（PAMP）诱导植物基础免疫，又能介导病原菌致病性的双重功能效应蛋白，在 Bgt 中鲜有报道。深入解析这些关键分子的功能，对于揭示病原菌的侵染策略及培育广谱持久的抗病新品种具有重要意义。

论文概要

安徽农业大学的潘月敏和杨倩团队在Plant Physiology发表题为“Dual-role effector Bgt5481 from Blumeria graminis f. sp. tritici induces plant immunity and contributes to virulence”的论文，揭示了效应蛋白Bgt5481在非寄主与寄主互作中的双重功能机制。研究发现，Bgt5481一方面能在非寄主植物中作为PAMP被识别并激发强烈的免疫反应；另一方面，它在寄主小麦中成功逃避了受体识别，转而发挥抑制宿主免疫、促进病原菌定殖的核心致病作用。

Bgt5481的鉴定及其在非寄主中诱发细胞死亡的特性；为了从庞大的 Bgt 候选库中筛选毒性效应蛋白，研究团队利用基于马铃薯X病毒（PVX）的VIVE系统对30个含有预测分泌信号肽的候选基因进行了快速筛查。结果显示，Bgt5481能够显著加剧本氏烟草（Nicotiana benthamiana）的病毒坏死症状。进一步的农杆菌介导瞬时表达实验表明，Bgt5481不仅能在本氏烟草中引发明显的细胞死亡，还能在番茄、大豆和拟南芥等多种非寄主植物中诱导类似的表型；然而，它在寄主小麦和非寄主辣椒中却无法引发肉眼可见的坏死（图1）。系统发育分析揭示，Bgt5481的同源蛋白广泛存在于具有不同生活史的真菌中，且部分同源蛋白同样具备在本氏烟草中诱导细胞死亡的能力（图2）。这表明Bgt5481具有高度的进化保守性，可能是一种广泛存在的植物识别模式分子。

图1

图2

质外体定位是Bgt5481诱发细胞死亡的必要条件；序列分析显示，Bgt5481的N端包含一个分泌信号肽（SP）。酵母信号肽捕获系统成功验证了该信号肽具备将蛋白分泌出细胞的功能。随后，通过激光共聚焦显微镜观察本氏烟草叶片表皮细胞发现，全长的Bgt5481主要定位于质外体空间，而缺失信号肽的突变体（Bgt5481ΔSP）则弥散在细胞膜、细胞核和细胞质中（图3）。关键实验表明，一旦去除该信号肽，Bgt5481便完全丧失了诱导细胞死亡的能力；而将其替换为病程相关蛋白PR1的经典信号肽后，又能够重新恢复细胞死亡表型（图4）。这些数据确凿地证明，通过信号肽介导的分泌并精准定位于质外体，是Bgt5481发挥细胞死亡诱导活性的前提。

图3

图4

Bgt5481作为PAMP在非寄主中激发非经典免疫反应；细胞死亡通常伴随着强烈的免疫应答。为了证实Bgt5481的免疫激发功能，研究人员利用纯化的Bgt5481蛋白处理本氏烟草。DAB染色显示该蛋白诱发了强烈的活性氧（ROS）爆发。定量PCR结果进一步确认，处理后水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）通路相关的防御基因以及多个PTI（模式触发免疫）标志基因的表达量被显著上调。更重要的是，外源施加Bgt5481蛋白显著增强了本氏烟草对死体营养型病原菌灰霉菌（Botrytis cinerea）的抗性（图5）。这表明Bgt5481起到了经典PAMP的作用。然而，利用病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术敲降多个已知免疫共受体后发现，Bgt5481引发的细胞死亡完全不依赖于经典的NbBAK1、NbSOBIR1、NbSGT1和NbCERK1共受体途径（图6），暗示植物体内可能存在一条尚未被发现的新型受体识别机制。

图5

图6

Bgt5481在寄主小麦中扮演抑制免疫的致病因子；与在非寄主中的强烈反应形成鲜明对比，Bgt5481不能在宿主小麦中诱导活性氧累积或防御基因上调。基因表达模式分析显示，Bgt5481 基因在 Bgt 侵染早期（12小时）及吸器成熟期（48小时后）呈现双峰式的高表达（图7A），提示其在侵染定殖中发挥关键作用。利用大麦条纹花叶病毒（BSMV）介导的寄主诱导基因沉默（HIGS）技术特异性敲降小麦体内的 Bgt5481 表达后，Bgt 的产孢量、菌丝覆盖率以及微菌落形成率均出现显著下降，致病力被极大削弱（图7）。为探究其内在分子机制，研究团队在抗病小麦品系中利用BSMV系统瞬时过表达了成熟形态的Bgt5481ΔSP。组织学观察发现，过表达该蛋白显著减少了与植物抗病性相关的Type B（全细胞）坏死，同时极大地抑制了小麦病程相关基因 TaPR1 的转录表达（图8）。这充分证明Bgt5481在小麦体内主动抑制了宿主的免疫反应，从而辅助病原菌的侵染与扩散。

图7

图8

全文总结与展望

本研究深入剖析了小麦白粉病菌效应蛋白Bgt5481的独特双重生物学功能。Bgt5481具有高度进化的双面性：在非寄主植物中，它作为一种非典型PAMP被识别，通过不依赖于已知共受体（如BAK1/SOBIR1）的全新途径激发强烈的细胞死亡和基础免疫；然而，在与寄主小麦的长期军备竞赛中，Bgt 演化出了逃避小麦现有受体识别的策略，使得Bgt5481得以顺利在质外体发挥致病功能，进而下调宿主防御基因表达，促进病原菌的定殖。这一发现不仅极大丰富了我们对活体营养型病原菌致病与免疫逃逸机制的科学认知，更为未来的农业应用提供了明确的靶标。未来的研究重点将转向挖掘和鉴定小麦中直接感知或被Bgt5481操纵的靶标蛋白。同时，鉴于Bgt5481能激发广谱抗性，该蛋白及其核心功能域具备开发为新型绿色植物免疫诱抗剂的巨大潜力。

研究团队与资助

本文的共同第一作者为安徽农业大学植物保护学院的Baoyu Huai与Xiaozhu Fan。通讯作者为安徽农业大学的杨倩和潘月敏。本研究得到了国家自然科学基金（32302303）以及安徽农业大学人才研究项目（rc342504）的资金支持。

DOI链接https://doi.org/10.1093/plphys/kiag185

小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn

投稿、合作等邮箱：shengweima@icloud.com