病原菌对植物的侵袭是由病原菌的毒力和植物免疫系统相互作用决定的。深入研究这种复杂的互作过程，对全面理解细菌如何引起植物病害以及植物如何保护自己免受病原菌侵染至关重要。
近日，华中农业大学教授、马普植物分子育种研究所独立PI Kenichi Tsuda团队在著名学术期刊Nature Plants上发表论文，利用植物体内原位细菌转录组及蛋白质组学技术全面分析植物体内病原菌的表达情况，发现被寄主免疫系统攻击的病原细菌主要调控途径，并揭示了植物免疫和病原菌相互作用的多层调控机制。Tatsuya Nobori博士，南京农业大学植物保护学院王一鸣教授为该论文共同第一作者。
对植物免疫如何影响病原菌毒力的研究主要依赖于多组学分析，但由于植物细胞内部细菌RNA含量极低，另一方面细菌mRNA变化通常不能反映实际的蛋白质水平。因此研究人员选择了丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae)和拟南芥作为研究材料，利用实验室先前建立的病原菌分离方法从植物叶片中富集细菌RNA，并运用转录组和蛋白组学技术分析不同突变植株、不同处理条件下植物内细菌mRNA 和蛋白质的表达（图1A）。结果显示，不同的处理条件下检测到蛋白质的亚细胞分布与Pto类似（图1B），但Pto在不同条件下在蛋白组水平和转录组水平均表现出明显的差异（图1C）。进一步分析发现与“发病机理”，“翻译”和“细胞壁组织或生物发生”相关的蛋白质和mRNA在感染后显著表达 (图2A)。感染初期（6h）不同突变株宿主（Col-0，sid2，pad4，ps）基因型效应很小，感染后期（48h）不同基因型宿主差异显著。研究者重点分析了感染后48小时宿主基因型对Pto蛋白表达的影响。其中表达显著的蛋白有196个影响。GO富集分析显示水杨酸（SA）突变体中病原菌相关蛋白(与宿主相互作用)高表达(图2d中的簇II)，翻译相关蛋白(核糖体蛋白)的表达减少(图2B)。说明SA通路影响植物中与细菌毒力和基本代谢相关的细菌蛋白的表达。为了比较基因和蛋白质的整体表达模式，研究者对所有15种情况的转录组和蛋白质组数据进行了标准化和组合，并形成了层次聚类(图3)。转录组和蛋白质组数据之间的总体一致性表明两组数据的高度准确性。与体外培养相比，感染后6小时的病原菌差异蛋白质和mRNA与“致病相关过程”相关，表明Pto转录激活了植物感染后的发病机制。另一方面， mRNA和蛋白表达也有不一致的情况。感染前期（6h）与“趋化性”相关的细菌过程在蛋白水平上高表达，但在mRNA水平上没有体现。这表明，趋化过程相关的过程在蛋白水平上被植物SA介导的免疫抑制，而这可能对细菌生长抑制极其重要。图3、Pto中mRNA和蛋白质组的一致性和差异性调控GO分析显示，植物SA途径抑制了大量与发病机制相关的细菌蛋白，其中包括细菌III型分泌系统(T3SS)蛋白。T3SS是Pto将效应物转移到植物细胞中破坏植物免疫并产生毒性的重要成分。研究者发现，SA通路对组成T3SS尖端的蛋白（HrpZ、HrpK和HrpW）的影响是明显的，表明SA通路可能以细菌T3SS尖端为靶点。随后研究者通过免疫印迹实验证明了该观点并与蛋白质组学中的结论一致。图4、植物SA途径特异性抑制病原菌III型分泌系统综上所述，植物的病原宿主互作常以植物为主要研究对象，本文独辟蹊径，通过对病原菌在体外及植物体内的转录组和蛋白质组分析，揭示了植物和病原菌之间的相互作用，阐明了植物对细菌基因表达的多重调控机制，为植物病害防控提供理论依据。同时也为研究其他多种植物和病原菌与共生菌的互作提供了一个新的参考思路。1. Tatsuya Nobori, et al., 2020, Multidimensional gene regulatory landscape of a bacterial pathogen in plants. Nature Plants.
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