kiwellin家族蛋白功能首次在玉米抗病领域中得到解析

玉米黑穗病是系统性侵染病害,抽穗后出现典型症状。病果穗短小,不吐花丝,除苞叶外整个果穗都变成一包黑粉,为病菌的冬孢子。黑粉飞散后露出丝状寄主维管束组织。雄穗有时也形成黑粉包,但常常仅个别小穗受害,有时还发现花器变形呈叶片状。病株大多矮小,只有健株的1/3-2/5,偶尔也在剑叶中脉发生条状黑粉堆。

真菌诱导的植物病害影响全球粮食安全和植物生态。生物营养真菌Ustilago maydis通过分泌许多毒力效应物来重新编程植物代谢和免疫反应,在玉米(Zea mays)植物中引起黑穗病。分泌的真菌分支酸变位酶Cmu1可能通过将分支酸酯引入苯丙烷途径,而影响植物免疫信号水杨酸的生物合成。但是到目前为止,很少发现有蛋白可以直接调控Cmu1的活性,同时该蛋白在各个物种中都是保守的。
2019年1月16日,德国Philipps-University Marburg合成生物合成微生物学中心(SYNMIKRO)和化学系的Bange团队在Nature在线发表题为“A kiwellin disarms the metabolic activity of a secreted fungal virulence factor”的研究论文,该论文显示20个玉米编码的kiwellins家族的ZmKWL1特异性地阻断Cmu1的催化活性。 ZmKWL1通过特异性阻碍底物进入Cmu1的活性位点。系统发育分析表明,植物kiwellins具有多功能的支架,可以特异性地抵消病原体效应物,如Cmu1。该研究揭示了kiwellin家族成员的生物学新功能,这是一种广泛保守的蛋白质组,这对于进一步研究kiwellin家族蛋白的功能铺开了道路。另外,对于植物抗病领域,打开了一个新思路。
由于该文章的新颖性及突破,Nature对于该文章进行了专门的点评。

【Nature】重磅 | 抗病领域的新突破,该家族蛋白功能首次在玉米中得到解析

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玉米黑穗病是由生物营养真菌U. maydis引起的。为了诱导植物长“肿瘤”,U. maydis在真菌菌丝和内陷植物质膜之间建立了延伸的相互作用区,其中它分泌大量的效应蛋白,其重编程宿主代谢并干扰植物防御反应。分泌的分支酸变位酶Cmu1在植物定植期间特异性上调,并且是生物营养发育期间最高表达的真菌基因之一。

Cmu1属于AroQ类的分支酸变位酶,并且已经显示催化苯丙氨酸和酪氨酸生物合成中的分支点反应,其中从分支酸产生预苯酸盐。在定植期间,Cmu1易位至植物细胞的胞质溶胶中,其分支突变酶活性似乎将分支酸酯通道引入苯丙烷途径,从而阻止水杨酸的生物合成,水杨酸是针对生物营养病原体的植物先天免疫应答的中心信号。干扰水杨酸生物合成途径是植物病原真菌,卵菌和线虫的一般策略,并且被分泌的分支酸变位酶和异长氨酸酶使用。

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文章总结

在植物中引起疾病的生物(如真菌)通常会分泌有助于宿主生长和繁殖的蛋白质。 这些被称为效应蛋白,并且一些是解除调节的代谢酶,其操纵植物中的关键代谢途径。该文章发现,玉米中的蛋白质阻断了真菌效应酶的酶活性,从而阻碍了效应物以限制植物防御反应,进而影响玉米代谢的能力。

该研究确定ZmKWL1是称为kiwellins的蛋白质家族的成员。在玉米中发现的20种kiwellin蛋白中,只有ZmKWL1在响应于U. maydis感染,并且高度表达。研究人员发现,他们测试的四种玉米kiwellin中只有ZmKWL1在体外与Cmu1相互作用。ZmKWL1是仅在谷类植物中发现的几乎相同的kiwellin的小亚组的一部分。例如,来自谷物高粱的ZmKWL1及其最密切相关的kiwellin蛋白Sb01g018600具有87%相同的氨基酸序列。

研究人员发现ZmKWL1通过影响酶的催化而不是通过竞争其底物分子,分支酸的结合而抑制Cmu1。 当研究人员阻止玉米中ZmKWL1的表达时,U. maydis的植物感染比表达ZmKWL1的玉米更严重。 据推测,这是因为缺乏ZmKWL1使得U. maydis Cmu1能够将分支酸转化为预苯酸盐,从而限制了分支酸对合成植物防御激素水杨酸的可用性。 先前的工作表明,与具有Cmu1的菌株的感染相比,U. maydis中编码Cmu1的基因的缺失导致水杨酸产生和相关植物防御反应的增加以及真菌感染成功的减少。

总而言之,该研究揭示了kiwellin家族成员的生物学新功能,这是一种广泛保守的蛋白质组,这对于进一步研究kiwellin家族蛋白的功能铺开了道路。另外,对于植物抗病领域,打开了一个新思路。

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