6月17日,《自然—微生物》( Nature Microbiology )在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/深圳基因組研究所研究員楊青團(tuán)隊與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授郭曉黎團(tuán)隊合作的研究論文。該研究揭示了大豆孢囊線蟲通過分泌幾丁質(zhì)水解酶HgCht2拮抗根瘤菌和叢枝菌根真菌等共生微生物建立共生關(guān)系的分子機(jī)制,并開發(fā)了一種能抑制幾丁質(zhì)水解酶介導(dǎo)的拮抗共生作用的小分子化合物,為孢囊線蟲的防治提供了新的策略。
孢囊線蟲是一類植物寄生線蟲,對大豆、馬鈴薯和甜菜等重要作物造成相當(dāng)大的產(chǎn)量損失。線蟲寄生的主要危害之一是抑制固氮根瘤菌和菌根真菌等微生物與植物的共生關(guān)系。
大豆孢囊線蟲是影響大豆產(chǎn)量最重要的因素之一。自20世紀(jì)60年代以來,溫室和田間調(diào)查都發(fā)現(xiàn),共生微生物與大豆孢囊線蟲之間存在復(fù)雜的關(guān)系,當(dāng)感染大豆孢囊線蟲時,經(jīng)常觀察到根瘤菌結(jié)瘤形成和固氮作用減少。然而,孢囊線蟲對共生微生物拮抗作用的分子機(jī)制尚不清楚。
研究發(fā)現(xiàn),大豆孢囊線蟲在與大豆根部接觸時會高表達(dá)一種幾丁質(zhì)水解酶HgCht2。通過免疫定位分析,這種幾丁質(zhì)水解酶主要在線蟲ppJ2s時期的腹下食管腺中表達(dá),該分泌器官負(fù)責(zé)產(chǎn)生和分泌效應(yīng)物。
通過RNAi沉默幾丁質(zhì)水解酶,不影響大豆孢囊線蟲的移動性和寄生性,但可以使大豆上根瘤的數(shù)目恢復(fù)。這表明幾丁質(zhì)水解酶雖然不是線蟲發(fā)育和寄生所必需的,但是對抑制根瘤菌共生很重要,進(jìn)化分析表明這種幾丁質(zhì)水解酶在所有孢囊線蟲中都具有保守性。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),這種幾丁質(zhì)水解酶可以水解根瘤菌和菌根真菌產(chǎn)生的共生信號分子——脂質(zhì)殼寡糖(LCOs)和殼寡糖(COs),從而抑制共生。研究解析了幾丁質(zhì)水解酶三維結(jié)構(gòu)以及其與殼寡糖和脂質(zhì)殼寡糖結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu),闡明了幾丁質(zhì)水解酶的底物結(jié)合和水解機(jī)制。
基于三維結(jié)構(gòu),研究設(shè)計開發(fā)了一種HgCht2抑制劑1516b,該化合物能夠解除孢囊線蟲對根瘤菌和叢枝菌根真菌共生的拮抗作用,一方面可以滿足植物的營養(yǎng)需求增加產(chǎn)量,另一方面也可以幫助植物減輕孢囊線蟲的危害。
楊青和郭曉黎為共同通訊作者。植保所研究員陳威和已畢業(yè)客座博士生王迪為該論文的共同第一作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年創(chuàng)新專項、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程等項目的資助。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1038/s41564-024-01727-5