農(nóng)藥所在水稻靶向病原菌致病力的代謝信號串擾機制上取得新進展
2022年1月，浙江大學農(nóng)學院植物與微生物生態(tài)化學研究組在國家自然科學基金委員會主辦的國際權威學術期刊《Fundamental Research》上發(fā)表了題為“Reprogramming of phytopathogen transcriptome by a non-bactericidal pesticide residue alleviates its virulence in rice”的研究論文。研究鑒定了誘導穗枯病菌致病因子差異表達的水稻代謝信號分子ATT，揭示了ATT信號分子調(diào)控穗枯病菌致病力轉(zhuǎn)錄重編程從而增強水稻穗枯病抗性的新機制。
在與病原細菌的長期斗爭中，植物進化出了復雜的防御策略以應對病原細菌的致病因子。天然免疫系統(tǒng)能夠識別大分子致病因子（例如表面多糖、鞭毛蛋白、效應子等），觸發(fā)PTI反應及ETI免疫，但對于小分子致病因子（例如小分子毒素）卻難以發(fā)揮作用。前期研究發(fā)現(xiàn)，病原細菌小分子致病因子的表達可能受到植物局部代謝網(wǎng)絡的影響，從而導致侵染程度上的差異（Matsumoto H., Nature Plants, 2021），但相關機制仍不清楚。因此，進一步深入認識病原菌小分子致病因子在植物上表達差異機制，對于有效防控細菌性病害具有重要意義。
針對上述科學問題，研究人員采集了浙江省6個不同地區(qū)的水稻病穗，解析了穗枯病菌小分子致病因子托酚酮（TR）在侵染部位的表達特征及關聯(lián)的特征代謝物。代謝共存模式分析表明，噻唑類殺菌劑經(jīng)水稻代謝轉(zhuǎn)化后在局部積累產(chǎn)物ATT，其與TR表達的降低顯著相關。ATT在痕量水平并無明顯的殺菌活性，但能夠顯著抑制TR表達，表明其具有調(diào)控病原細菌致病力的信號分子特征。進一步利用TR調(diào)控系統(tǒng)互作體系、轉(zhuǎn)錄組分析和基因敲除，發(fā)現(xiàn)ATT信號分子通過干擾雙組分系統(tǒng)（TCS）抑制群體感應系統(tǒng)介導的TR表達。SPR互作體系與分子對接等證據(jù)表明ATT對?TroK跨膜結(jié)構域關鍵位點的直接靶向作用可能是引起HATPase_c結(jié)構域與ATP結(jié)合受阻的根本原因。更重要的是，風險評估試驗發(fā)現(xiàn)ATT信號分子不僅具有極低的膳食風險，而且不影響水稻核心內(nèi)生菌群的生長和繁殖，表現(xiàn)出較好的環(huán)境兼容性。
水稻作為第一大糧食作物，在保障我國糧食安全中發(fā)揮著重要作用。近年來，水稻細菌性病害發(fā)生面積逐年擴大，嚴重影響糧食安全生產(chǎn)。目前，化學殺菌劑仍是水稻病害防控的主要措施，但生產(chǎn)中的不合理和過量施用會導致嚴重的3R問題。該研究闡明了水稻局部代謝網(wǎng)絡在水稻-病原菌互作中的生物學功能，探索和利用了靶向病原菌致病力的無殺菌毒性的信號分子。研究成果為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學殺菌劑抗藥性治理、化學與生防菌復配制劑研發(fā)提供了新途徑，在水稻病害綠色防控技術中具有潛在的應用價值。
浙江大學農(nóng)學院博士生Matsumoto Haruna為論文第一作者，王蒙岑教授為通訊作者，奧地利格拉茨工業(yè)大學Tomislav Cernava教授為共同通訊作者。浙江大學為第一及通訊單位。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、浙江省自然科學基金等項目的資助。論文鏈接:?https://doi.org/10.1016/j.fmre.2021.12.012
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（浙江大學農(nóng)藥與環(huán)境毒理所）
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