【LorMe周刊】青枯菌的“兴奋剂”——L-谷氨酸
作者：张艺，南京农业大学硕士在读。主要研究青枯菌多态性与动态阻控。
谷氨酸是维持植物体正常生命活动的重要代谢物质，在抵抗病原菌侵染过程中发挥重要作用。青枯菌是危害最为严重的土传细菌性病原菌，有研究表明谷氨酸脱氢酶失活会影响青枯菌的致病能力。那么寄主植物和青枯菌之间会不会就谷氨酸这一物质产生一些奇妙的“化学反应”呢？中山大学邓音乐团队发现植物源L-谷氨酸是青枯菌毒力生理生化行为的“兴奋剂”，它能增强青枯菌的致病能力。该研究揭示了植物代谢物介导植物与病原菌互作过程中的新机制，突显了青枯菌毒力调控的复杂性。切断青枯菌的谷氨酸代谢途径或将为土传青枯病的控制提供新的思路。
植物代谢中产生的L-谷氨酸是否会影响青枯菌的毒性？如果能，其作用机制是什么？
作者发现番茄植株粗提物可增强青枯菌的致病力，质谱分析与活性成分检测结果表明L-谷氨酸发挥了重要作用。生理行为和生化特征检测发现，L-谷氨酸可增加青枯菌胞外多糖产量和纤维素酶活性，增强青枯菌的泳动能力和生物膜形成能力。经Tn5突变体文库筛选和鉴定发现，组胺酸激酶/响应调节因子RS01577是调控L-谷氨酸信号通路的调节因子。转录组分析结果表明RS01577调控青枯菌胞外多糖和纤维素酶等大量与毒力相关基因的表达。最后通过盆栽实验验证了番茄植株粗提物和L-谷氨酸对青枯菌侵染过程的影响。
为了研究番茄代谢物对青枯菌致病力的影响，作者检测了番茄植株粗提物对青枯菌毒力因子（胞外多糖EPS、纤维素酶CEL）和毒力行为（泳动、生物膜形成）的影响。结果表明，添加番茄粗提物显著提高了青枯菌胞外多糖的产量及纤维素酶的活性（图1ab）；随番茄植株粗提物浓度增加，青枯菌胞外多糖及纤维素酶合成基因的表达水平大幅度提高（图1cd）；同时泳动能力和生物膜形成能力增强(图1ef)。
为明确番茄粗提物中的关键活性成分，作者利用HPLC、HR-ESI-MS和NMR等技术检测发现该活性成分可能是L-谷氨酸。外源添加的不同浓度的L-谷氨酸对青枯菌生理生化行为的影响与番茄植物粗提物相似，证实了L-谷氨酸是影响青枯菌毒力的关键活性成分，可刺激青枯菌毒力行为，增强青枯菌毒力因子的表达（图2）。
为明确L-谷氨酸调控青枯菌毒力的关键信号通路，作者利用Tn5突变体文库筛选鉴定得到一个编码组胺酸激酶/反应调节因子的基因RS01577。敲除该基因后，青枯菌ΔRS01577突变体的胞外多糖EPS产量和纤维素酶CEL活性显著降低，对不同浓度的番茄植物粗提物和L-谷氨酸不再敏感；在突变体中回补RS01577后，ΔRS01577（RS01577）菌株的胞外多糖EPS产量和纤维素酶CEL活性恢复到野生型的水平，且受到番茄植物粗提物和L-谷氨酸浓度梯度的影响（图3）。上述结果证明了RS01577是L-谷氨酸信号通路的重要组成部分，可能同时影响青枯菌毒力基因的表达。
为解析L-谷氨酸对青枯菌毒力基因表达的调控作用，作者利用转录组分析比较了L-谷氨酸和RS01577对青枯菌基因表达的影响。结果发现，L-谷氨酸的加入（图4a）和RS01577基因的缺失（图4c）分别导致青枯菌中近114和292个基因出现差异表达（图4e），包含大量与青枯菌毒力相关的基因，同时作者采用RT-qPCR对这些差异表达毒力基因进行了验证（图4bd），证明了L-谷氨酸及其响应因子RS01577对青枯菌毒力基因表达的调控作用。
为了进一步验证L-谷氨酸对青枯菌致病力的影响，作者用番茄粗提物和L-谷氨酸处理番茄植株，两种处理都显著提升了青枯菌在番茄根际及茎部定殖能力；同时影响了青枯病的发病动态，加重了植株发病程度（图5）。
该研究从谷氨酸脱氢酶影响青枯菌致病力的现象入手，通过植物源活性物质的筛选与鉴定，明确了L-谷氨酸是影响青枯菌毒力的关键成分，解析了L-谷氨酸调控青枯菌毒力的生理生化机制和基因调控机制。该研究整合了植物病理学、代谢组学、分子生物学和转录组学等多种手段，系统研究了植物代谢物介导菌植互作的过程与机制，为植物病害的控制提供了新的靶点。
论文信息
原名：Ralstonia solanacearum promotes pathogenicity by utilizing L-glutamic acid from host plants
译名：青枯菌利用寄主植物产生的L-谷氨酸提高自身致病性
期刊：Molecular Plant Pathology
IF2019：4.326
发表时间：2020.08
通讯作者：DengYinyue (邓音乐)
通讯作者单位：中山大学药学院（深圳）