广东省农业科学院水稻研究所联合康奈尔大学在植物寄生线虫调控寄主自噬体通路方面取得重要进展

以下文章来源于广东省农科院生物育种研究中心 ，作者生物育种研究中心

近日，广东省农业科学院水稻研究所联合康奈尔大学在植物学知名杂志New Phytologist (IF=10.323)上发表题为“A key virulence effector from cyst nematodes targets host autophagy to promote nematode parasitism”的研究论文。此研究首次发现自噬体参与到线虫与寄主植物互作的过程中，线虫通过调控植物自噬途径来促进其寄生。同时揭示了线虫通过进化出含有保守AIM（ATG8家族蛋白作用域）结构域的效应子，靶向寄主自噬的核心蛋白ATG8（自噬相关蛋白8）来抑制植物的先天免疫系统的分子机理。

自噬是真核生物中一种高度保守的生物学过程，它利用双层膜结构的自噬体来隔离和运输细胞质物质，并与溶酶体融合进行降解和再循环。细胞自噬最初被认为是一种非选择性的降解机制，对营养物质的再活化和能量供应具有重要意义。然而，越来越多研究表明自噬也是一种选择性过程，它通过招募专门的细胞自噬相关蛋白受体，对特定的靶标蛋白进行降解。自噬体的形成过程涉及约20种自噬相关蛋白（ATG）的高度调控和互作。在选择性自噬过程中，膜锚定蛋白ATG8充当各种靶标蛋白的受体。这些靶标蛋白通常包含ATG8相互作用的基序AIM结构域（在酵母和植物中）或LC3相互作用区LIR（LC3互作区域）结构域（在动物中），以促进靶标蛋白的聚集和降解。

自噬是植物免疫系统的一个重要组成部分，在抵抗病毒、细菌和丝状病原体方面发挥作用，已成为病原微生物效应蛋白的重要靶点。然而，目前植物细胞自噬在线虫寄生中的作用几乎是未知的。本研究通过比较基因组学的方法，从植物寄生线虫上鉴定到一个含有ATG8互作结构域AIM的效应蛋白NMAS1（Nematode Manipulator of Autophagy System 1）。启动子区域分析发现NMAS1基因在起始密码子上游100-150bp的位置含有DOG box序列。进一步通过原位杂交和qRT-PCR实验，证明该效应蛋白在线虫寄生阶段的背食道腺细胞特异性表达（图1）。

▲图1 NMAS1（Nematode Manipulator of Autophagy System 1）蛋白序列比对及在线虫虫体上的表达部位分析

植物先天免疫系统由两个主要的免疫反应组成，即病原相关分子模式（PAMP）激发的免疫反应（PTI）和效应蛋白（effector）激发的免疫反应（ETI）。大量的研究证明植物寄生线虫的效应蛋白能够抑制寄主植物的PTI或ETI免疫系统，但是其潜在的机制还不太清楚。研究者通过烟草瞬时表达系统，证明了植物寄生线虫的NMAS1具有强烈抑制植物免疫反应的功能，包括PTI 和ETI（图2）。

▲图2 NMAS1效应蛋白抑制植物的先天免疫系统

为了验证NMAS1效应蛋白的基序AIM结构域的功能，研究者通过免疫共沉淀（Co-IP）和双分子荧光互补（BiFC）实验研究NMAS1与ATG8s的相互作用。结果表明，NMAS1能够与多个ATG8家族蛋白特异性互作（图3）。进一步深入研究发现，对GrNMAS1的AIM2结构域的两个氨基酸进行突变（F-A和L-A），将导致GrNMAS1与StATG8-1.1蛋白无法相互作用。更有意思的是，GrNMAS1与StATG8-1.1的互作是决定GrNMAS1抑制寄主PTI的关键（图4）。

图3 线虫效应蛋白NMAS1与ATG8家族蛋白特异性互作

▲图4 线虫效应蛋白GrNMAS1通过AIM结构

与StATG8-1.1蛋白互作

广东省农业科学院水稻研究所分子育种团队陈建松博士为论文的第一作者，康奈尔大学陈石燕博士为论文的共同第一作者。康奈尔大学王晓红教授为该论文的通讯作者。华南农业大学的徐春玲副研究员也参与了该研究工作。同时，该论文得到了华南农业大学廖金铃教授、张炼辉教授和卓侃教授的指导和帮助。

转自：“iPlants”微信公众号

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