Plant Cell | 为铁而战：植物与病原菌的对决！中科院微生物所刘俊团队揭示细菌摄取寄主铁元素...

2021年3月5日，中国科学院微生物研究所刘俊课题组在The Plant Cell在线发表了题为Bacterial effector targeting of a plant iron sensor facilitates iron acquisition and pathogen colonization的研究论文，解析了一个细菌分泌的效应蛋白AvrRps4靶向植物铁代谢通路获取铁元素的分子机制，揭示了病原菌效应蛋白抑制免疫以外的新功能。

铁是几乎所有生物体所必需的矿物质营养元素，它不仅是多种化合物的组分，还与多种与代谢相关的关键酶催化活性有关，在一定程度上影响机体的免疫机能。已有研究发现，存在于哺乳动物的乳汁或中性粒细胞中的乳铁蛋白能够螯合肠道内游离的铁元素，促进肠道有益菌如乳酸菌的增殖，减少有害细菌对铁元素的吸收，从而起到抗菌、改善肠道菌群和预防腹泻的发生【1】。在哺乳动物先天免疫系统中，许多免疫蛋白参与调节铁的稳态，宿主能够通过限制病菌的铁吸收从而抑制病菌的侵染，这个策略在防止病原菌入侵中起着重要的作用【2】。

与动物从食物中获取铁元素一样，植物病原菌也需要从寄主植物中获取铁营养用于自身的生长繁殖。在病原菌侵染植物过程中，植物细胞周围坚硬的细胞壁限制了病原菌在细胞内的繁殖，但病原菌可以分泌大量的细胞壁降解酶和效应蛋白，损伤植物细胞并从中获得营养物质。然而，我们对病菌如何操纵植物宿主获取铁营养知之甚少。丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae，Pst）是研究寄主与微生物互作的模式菌株，它能够利用其自身的三型分泌系统向植物分泌多种效应蛋白，促进病原菌侵染。然而，大多数细菌效应蛋白的功能尚未完全了解，效应蛋白能否参与寄主植物铁稳态的过程也未可知。目前已有研究报道，在Pst DC3000侵染拟南芥叶片的转录组分析中发现植物免疫的激活会导致细菌铁稳态相关基因的转录重编程【3】。然而，植物是否能够通过免疫调节来限制铁的供给从而抑制病原菌侵染这一过程尚不清楚。

刘俊课题组首先通过对丁香假单胞菌Pst (avrRps4) 侵染后拟南芥的野生型Col-0和突变体eds1-2植株4小时和8小时的转录组数据进行分析，发现与植物铁代谢通路相关的许多基因参与植物对病原菌Pst (avrRps4) 侵染的响应。通过遗传学和生物化学研究手段证明了该细菌分泌的效应蛋白AvrRps4能够靶向植物的铁代谢调控蛋白BTS (BRUTUS)。BTS是植物响应铁信号的主要感应蛋白，精准调控铁的稳态。AvrRps4可以干扰BTS对下游转录因子bHLH115和ILR3的降解，从而调控植物的铁代谢过程。对无法识别AvrRps4的突变体植株（rps4a和eds1-2）来说，效应蛋白AvrRps4能够引起植物总铁以及质外体中铁的积累。然而，对于那些能够识别AvrRps4的植株来说，寄主植物通过免疫防御反应限制铁的吸收，导致质外体中积累较少的铁。

此外，识别AvrRps4的重要组分 (RPS4,EDS1和RRS1a/b) 也参与响应BTS缺铁的调控。这些突变体植株 (rps4a，eds1-2 和 rrs1a/b) 在缺铁培养基上表现出类似于突变体bts-2根长的表型，显示了这些免疫组分也参与了缺铁响应。在Pst (avrRps4) 侵染植物过程中，BTS对免疫响应蛋白EDS1的积累至关重要，缺失BTS导致植物中EDS1水平降低，植物对病菌侵染敏感。因此，该研究表明，在缺少RPS4/EDS1的情况下，细菌通过分泌效应蛋白AvrRps4靶向植物铁的感应器BTS，干扰BTS对铁响应蛋白PYEL的降解，从而促进铁在植物质外体的积累和病原菌的增殖。然而，在RPS4/EDS1存在的情况下，EDS1/RPS4可以“监视”BTS的状态。当AvrRps4存在时，AvrRps4与BTS发生相互作用，从而触发EDS1/RPS4介导的免疫激活，限制铁的积累和病菌的增殖。

图1  效应蛋白AvrRps4获取铁的工作模型

综上所述，该研究发现了一个细菌效应蛋白可以通过增加寄主质外体中铁的积累来促进病原菌的生长，但是植物免疫系统严密调控着体内铁的稳态，限制病菌获取大量的铁元素，从而抑制病原菌的侵染。

中国科学院微生物研究所刘俊研究员（现职为中国农业大学）为该论文通讯作者，博士毕业生邢莹莹、副研究员徐宁为共同第一作者。该工作还有广州中医药大学的王宏斌教授、德国马普的Jane Parker教授以及加州大学戴维斯分校的Gitta Coaker教授参与合作。该研究得到了国家自然科学基金、中科院先导B项目以及植物基因组学国家重点实验室基金的资助。

值得一提的是，刘俊课题组近年来在植物免疫领域的研究中取得了一系列重要成果：发现了水稻胞外免疫的新机制（Plant Cell, 2019）; 拟南芥凝集素受体介导的免疫识别（EMBO J, 2020），以及对效应蛋白毒性的抑制（Mol Plant, 2020）。