植物細(xì)菌性病害是植物生長(zhǎng)過(guò)程中的重大威脅，對(duì)農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)都有極大的影響。病原細(xì)菌通過(guò)侵染植物組織引發(fā)葉斑、枯萎、腐爛等病害，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收。當(dāng)病原細(xì)菌悄然入侵時(shí)，植物的化學(xué)防御系統(tǒng)正在上演著肉眼不可見(jiàn)的分子戰(zhàn)爭(zhēng)。
2025 年 2 月 28 日，北京大學(xué)雷曉光團(tuán)隊(duì)聯(lián)合崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室周儉民團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：A widespread plant defense compound disarms bacterial type III injectisome assembly 的研究論文。
該研究揭開了植物抵御病原細(xì)菌入侵的神秘機(jī)制——一種名為芥酸酰胺的植物天然代謝物，能夠精準(zhǔn)拆解病原菌的“生化武器”，為綠色農(nóng)業(yè)提供了新可能。
傳統(tǒng)認(rèn)知中，植物抗病代謝物多采用“毒殺”戰(zhàn)術(shù)，但最新研究發(fā)現(xiàn)，芥酸酰胺另辟蹊徑：它像一位精明的拆彈專家，專門拆除病原菌的“生化武器”——三型分泌系統(tǒng)（Type III secretion system，T3SS）。三型分泌系統(tǒng)是多種動(dòng)植物病原細(xì)菌用來(lái)向宿主細(xì)胞分泌毒性蛋白的裝置，對(duì)致病不可或缺。芥酸酰胺破壞病原細(xì)菌三型分泌系統(tǒng)的裝配，將病原細(xì)菌變得無(wú)害。
2010 年，James R Alfano 團(tuán)隊(duì)觀察到免疫激活的植物具有抑制病原細(xì)菌三型分泌系統(tǒng)的能力，但這個(gè)“護(hù)身符”的本質(zhì)卻一直蒙著神秘面紗。
在這項(xiàng)研究中，雷曉光與周儉民團(tuán)隊(duì)敏銳捕捉到這一線索，提出假說(shuō)：這可能是一個(gè)免疫誘導(dǎo)產(chǎn)生的植物天然代謝物。帶著這個(gè)猜想，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)開啟了長(zhǎng)達(dá)15年的“尋寶”之旅——以生化活性為導(dǎo)向，通過(guò)分離、純化的手段最終在植物代謝物的迷宮中鎖定了關(guān)鍵目標(biāo)——芥酸酰胺。不同于傳統(tǒng)植物抗性代謝物的“地毯式轟炸”，芥酸酰胺給病原細(xì)菌進(jìn)行了精準(zhǔn)的“外科手術(shù)”，使其喪失致病能力而不影響其生存。
芥酸酰胺廣泛存在于包括水稻、大豆等多種植物中，在免疫激活后會(huì)大量積累，并對(duì)多種病原細(xì)菌具有廣譜活性。遺傳實(shí)驗(yàn)表明，芥酸酰胺的積累，是植物實(shí)現(xiàn)對(duì)病原細(xì)菌免疫的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)多種芥酸酰胺衍生物的合成及活性分析，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)揭示了影響其活性的關(guān)鍵化學(xué)結(jié)構(gòu)。綜合運(yùn)用化學(xué)蛋白組學(xué)、生化實(shí)驗(yàn)、蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、分子對(duì)接及分子動(dòng)力學(xué)模擬等多種方法，研究團(tuán)隊(duì)捕捉到這場(chǎng)微觀戰(zhàn)爭(zhēng)的精彩畫面：芥酸酰胺與三型分泌系統(tǒng)的重要組分 HrcC 特異結(jié)合，導(dǎo)致病原菌的“生化武器”裝配失敗，使細(xì)菌“啞火”。值得注意的是，芥酸酰胺對(duì)水稻白葉枯、番茄青枯病等多種作物細(xì)菌病害均具有強(qiáng)大的保護(hù)作用，暗示其在作物細(xì)菌病害防治中的潛在應(yīng)用價(jià)值。
這項(xiàng)研究揭示了植物化學(xué)防御新機(jī)制，為環(huán)境友好型生物農(nóng)藥的開發(fā)以及作物抗病分子育種奠定了基礎(chǔ)。
圖1. 芥酸酰胺的工作模型
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所已畢業(yè)研究生/崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士后繆佩、北京大學(xué)已畢業(yè)研究生王海軍及中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所副研究員王偉為論文的共同第一作者，北京大學(xué)雷曉光教授和崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家周儉民研究員為論文共同通訊作者。北京大學(xué)王繼縱教授團(tuán)隊(duì)、上海交通大學(xué)姚玉峰教授團(tuán)隊(duì)等也參與了這項(xiàng)工作。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0377
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