2022年3月16日，Nature Reviews Microbiology杂志在线发表了来自南京农业大学王源超课题组题为“Evasion of plant immunity by microbial pathogens”的综述文章。该文章全面综述了植物病原体效应因子如何操纵涉及植物免疫传感、信号整合和防御执行的宿主细胞过程的最新研究进展。此外，改文章还讨论了植物与病原体相互作用的理解的最新进展如何在实践中用于防止微生物病原体逃避植物免疫系统。
植物与由共生、共生和病原微生物群落组成的复杂微生物群密切相关。植物病原微生物包括病毒、细菌、真菌和卵菌，它们在生活方式、致病策略和靶向宿主组织方面存在差异。为了在易感植物中引起疾病，微生物病原体分泌毒力因子，在特定环境条件下促进感染。这种宿主、病原体和环境的复杂相互作用被称为“病害三角”。为了抵御多种微生物病原体，植物已经进化出强大的先天免疫系统。然而为了破坏植物免疫，微生物病原体已经进化出各种策略。
1. 植物免疫系统
细胞表面模式识别受体（PRR）介导对称为“微生物相关分子模式”（MAMP）的保守微生物表面结构的识别，以引发模式触发免疫（PTI）（图 1）。PTI 对无法破坏宿主免疫系统的微生物入侵者（宿主非适应病原体）提供完全免疫，对宿主适应病原体提供部分免疫。后一种病原体已经进化出逃避 PTI 并通过分泌到质外体中的效应因子感染宿主的方法或递送到植物宿主细胞中。反过来，植物已经进化出 NOD 样受体 (NLR)，它们直接或通过效应器诱导的宿主结构修饰来感知微生物效应因子，被称为植物免疫的第二层被称为“效应触发免疫”（ETI）。最近已证明拟南芥中 PTI 和 ETI 途径的相互增强是有效防御宿主适应的微生物病原体所必需的，这进一步表明植物免疫的两个分支之间存在机制联系。
图 1：植物先天免疫的逐步激活。
2. 逃避植物免疫识别
植物拥有大量编码的细胞表面和细胞内免疫受体的基因，这使它们能够检测各种危险信号以有效防御微生物感染。然而，这也导致了强大的选择压力，驱使微生物病原体逃避植物免疫识别。
a. 逃避 PRR 介导的检测
PRRs 对微生物入侵模式的有效感知对于激活 PTI 是必要的。为了成功地定殖植物，适应宿主的微生物病原体已经进化出各种策略来防止 PRR 识别和激活（图 2）。其中许多策略涉及改变、隔离、降解或阻止 MAMP 的释放。
图 2：微生物病原体具有多种机制来逃避植物 PRR 介导的识别。
b. 逃避 NLR 介导的检测
NLR 是检测细胞内效应因子的主要哨兵。NLR 提供的强大保护对微生物病原体施加了强大的选择压力，并且是宿主-病原体共同进化的主要驱动力。宿主适应的微生物病原体通过AVR基因的修饰（缺失、序列多样化或转录多态性）；改变编码的AVR基因的表达和获得结合或调节 NLR 或 AVR 效应器的上位效应器等方式来避免 ETI 的激活。
图 3：微生物逃避宿主 NLR 受体介导的识别。
3. 植物免疫信号的调控
免疫受体检测微生物感染会启动动态和相互关联的信号级联。对该网络的严格监管是启动有效免疫反应的先决条件。正因为如此，微生物病原体已经进化出破坏宿主信号调节网络稳健性的策略（图 4）。
图4. 适应宿主的病原体使用许多效应因子来干扰植物免疫信号转导。
a. 颠覆免疫信号成分
微生物效应因子库的一个关键作用是规避植物 PTI。来自不同微生物病原体的许多效应因子靶向免疫信号中心信号成分，例如 BRI1-ASSOCIATED KINASE 1 (BAK1)、BOTRYTIS-INDUCED KINASE 1 (BIK1) 和丝裂原活化蛋白激酶 (MAPKs)。如BAK1 被几种不相关的细菌效应物靶向，包括 AvrPto、AvrPtoB、HopF2 和 HopB1。与 PTI 一样，病原体效应因子针对 ETI 中涉及的多个信号传导部门。例如，青枯菌 T3E RipAC 靶向抑制 skp1 (SGT) 的 G2 等位基因，这是几种植物物种中 NLR 积累和激活的重要调节因子。
MAPK 级联的激活是 PTI 和 ETI 的早期信号事件，包括调控胼胝质沉积、激素产生和转录重编程。MAPK 级联的激活通常涉及 MAPK 激酶激酶、MAPK 激酶和 MAPK 的连续磷酸化。相比之下，这个关键的信号节点是进化多样化病原体的目标，以减弱宿主的免疫力。例子包括丁香假单胞菌T3Es HopA1 和 HopF2，它们都破坏了由细菌 MAMP flg22 触发的 MAPK 信号。相此外，致病疫霉RXLR 效应子 PexRD2 和 Pi17316 与 MAPK 激酶激酶相互作用，并分别促进本氏烟草和马铃薯的感染。
b. 重新编程宿主转录组
微生物感染在植物中诱导转录重编程，这为植物提供了建立快速和适当防御的灵活性。宿主适应的病原体已经进化出多种策略来重新编程宿主转录组，包括转录因子或抑制因子的分泌、干扰宿主转录因子、表观遗传调控和 mRNA 剪接的调节。TAL 效应子是黄单胞菌属和雷尔氏菌属的毒力因子作为转录因子激活促进感染的基因的转录，例如编码糖转运蛋白的 SWEET 基因。转录阻遏物的例子包括稻瘟病真菌M. oryzae分泌的两种效应物，HTR1 和 HTR2，它们对防御相关基因的转录进行重编程。
表观遗传调控已成为植物-微生物相互作用的关键参与者。例如，水稻转录因子 WRKY72 通过在茉莉酸生物合成基因AOS1的启动子上诱导 DNA 高甲基化来下调茉莉酸信号传导。水稻白叶枯病病原体通过诱导WRKY72表达来表观遗传抑制茉莉酸信号传导。在某些情况下，微生物病原体会分泌效应因子来操纵宿主的表观遗传过程。
选择性剪接是一个重要的转录后过程，它可以增加转录本的多样性。例如，对感染致病疫霉的番茄中 mRNA 分布的全基因组分析表明，在感染过程中，超过 5,000 个基因在感染样本和模拟处理样本之间表现出不同的可变剪接。此外，致病疫霉感染选择性地调节宿主防御和易感基因的选择性剪接以促进感染。致病疫霉的许多 RXLR 效应子抑制剪接。
c. 重新改变宿主植物激素信号
水杨酸、茉莉酸和乙烯是协调植物防御不同生活方式的微生物病原体的中心信号分子。这些和其他信号通路之间会形成了一个复杂的调节网络，调节植物免疫。越来越多的证据表明，微生物病原体通过破坏植物激素的产生和信号通路来避免宿主免疫激活。一个典型的例子是冠毒素Coronatine，一种由多种植物致病性假单胞菌属分泌的毒素，它模仿具有生物活性的茉莉酸衍生物茉莉酸异亮氨酸来抑制植物的抗性。
4. 解除植物免疫输出
免疫信号级联的激活最终导致一系列有效的免疫反应，包括细胞壁的强化、蛋白酶和/或抑制剂的分泌、抗菌分子的释放、小沉默 RNA 的产生和植物相关微生物群的调节。适应宿主的微生物病原体逃避宿主免疫输出的影响，以促进生存和繁殖。
a. 细胞壁修饰
植物细胞壁是一个复杂的聚合物网络，不仅对结构很重要，而且对防止生物和非生物胁迫也很重要。微生物病原体通过分泌的效应因子对抗细胞壁介导的防御。除了靶向宿主细胞壁维持外，微生物病原体还使用一系列细胞壁降解酶直接攻击细胞壁，包括角质酶、果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶或木质素修饰酶。如在卵菌中鉴定的一个分泌型铜结合裂解多糖单加氧酶家族通过果胶的裂解促进致病疫霉感染。
然而植物已经进化出各种酶抑制剂来抵消感染期间针对宿主植物的众多微生物水解酶。例如，大豆产生抑制剂 GIP1，它直接结合并抑制大豆假单胞菌效应子 XEG1 的木葡聚糖酶活性。然而大豆假单胞菌已经发展出自己的对抗 GIP1 的对策，即 XEG1 旁系同源物 XEG1 样蛋白 1 (XLP1)。XLP1 对 GIP1 的结合亲和力比 XEG1 高得多，并有效地隔离 GIP1（图 5a）。XLP1在寄生疫霉中的对应物还保护 XEG1 免受本氏烟草中的抑制剂 GIP2 的影响，证明疫霉病原体使用保守的诱饵策略来逃避宿主免疫。
b. 干扰植物水解酶
植物质外体含有大量宿主蛋白酶，它们通过不同的机制发挥作用，赋予对各种微生物病原体的抗性。例如，番茄木瓜蛋白酶样半胱氨酸蛋白酶 (PLCP) Rcr3 充当诱饵，介导 PRR Cf-2 的激活以赋予对叶霉菌C. fulvum的抗性。作为对策，微生物病原体通过阻止质外体蛋白酶的分泌、结合或活化来逃避蛋白酶介导的抗性（图 5b）。例如，致病疫霉效应子 AVRblb2 和大豆疫霉效应子Avh240分别靶向宿主 PLCP C14 和天冬氨酸蛋白酶 AP1，以防止蛋白酶分泌到质外体中。
c. 解毒抗菌分子
植物合成大量具有抗菌特性的分子。为了破坏这种防御，微生物病原体已经进化出解毒或抵抗抗菌化合物的能力（图 5c）。例如，番茄中的主要配糖生物碱 α-番茄碱对多种真菌病原体有毒。番茄病原体如C. fulvum，通过分泌番茄碱酶将 α-番茄碱转化为毒性较小的衍生物来规避这种防御。
活性氧 (ROS) 是一种高活性防御分子，在微生物感染开始后在植物中迅速产生，通常会导致氧化应激。微生物病原体已经开发出各种策略来逃避感染期间的宿主氧化应激。例如，细菌病原体产生细胞外多糖以形成针对宿主氧化应激的保护层。微生物病原体还分泌效应子来阻止宿主 ROS 的产生、阻断 ROS 的运输或促进 ROS 的清除。
d. 利用宿主 RNA 沉默
RNA 沉默是一种主要的植物防御机制，由直接靶向序列特异性基因进行降解或翻译抑制的小 RNA 介导。尽管 RNA 沉默是植物中公认的抗病毒机制，但植物 RNA 沉默也已被证明在防御细菌和丝状植物病原体方面具有作用。与其他免疫反应一样，适应的微生物病原体已经进化出抑制基于 RNA 沉默的防御机制。已从各种微生物病原体中鉴定出许多干扰 RNA 沉默途径中不同步骤的 RNA 沉默抑制因子。例如，大豆大豆菌分泌 RXLR 效应子 PSR1，它通过抑制植物内源性 siRNA 生物合成来干扰 siRNA 介导的转基因沉默。值得注意的是，一些病原体并没有破坏 RNA 沉默，而是利用沉默机制来靶向宿主转录物。例如，B. cinerea将小 RNA 传递到植物细胞中，结合 AGO1 并沉默防御相关基因。
e. 植物微生物群的调节
植物微生物群包括促进植物生长和防御的有益微生物。越来越多的证据表明，微生物入侵会导致植物微生物群的组成和丰度发生相当大的变化，从而影响植物的免疫力。微生物病原体已经进化出改变植物微生物群的策略。例如，真菌病原体V. dahliae分泌一种质外体效应物 Ave1，它对有益细菌表现出抗菌活性并改变宿主微生物群组成以促进感染。另一种V. dahliae效应器 AMP2 也具有抗菌活性，但会分泌到土壤环境中。因此，真菌效应器可以操纵宿主内外的宿主微生物群。
图5. 适应宿主的病原体进化出许多策略来耐受或逃避宿主免疫输出的影响。
结论和观点
该文强调了当前对微生物植物病原体阻止 MAMP 触发的免疫或 ETI 激活的分子机制复杂性的认识，但仍有待解决的主要开放性研究问题。首先意识到，自然界中存在的大量微生物效应因子和抗性基因库提供了很大程度上尚未开发的基因组资源。因此，对新型效应因子及其作用模式的持续探索对于学术和应用研究仍然是有帮助的。同样，对于许多微生物效应因子，它们操纵哪些宿主目标以及它们如何破坏植物免疫激活也是未知的。总而言之，对复杂植物-微生物和微生物-微生物相互作用的作用机制理解对于在自然栖息地和现代农业中制定可持续植物保护策略至关重要。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41579-022-00710-3
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