近日，中国农业科学院植物保护研究所作物线虫和细菌病害监测和防控创新团队在Journal of Advanced Research发表了题为“Beet cyst nematode HsSNARE1 interacts with both AtSNAP2 and AtPR1 and promotes disease in Arabidopsis”的研究论文。该研究鉴定了一个甜菜孢囊线虫蛋白效应子HsSNARE1，揭示了一种新的孢囊线虫与寄主植物相互作用机制：HsSNARE1通过同时与寄主拟南芥AtSNAP2和AtPR1互作，显著抑制AtPR1和AtSHMT4的表达而致病。
孢囊线虫是植物生长发育过程中一类分布广、危害严重的病原线虫，每年造成巨大的作物产量与经济损失。如，大豆孢囊线虫（soybean cyst nematode, SCN）Heterodera glycines在我国22个省市均有发生分布，尤其在我国东北和黄淮海两个大豆主产区普遍发生，受害面积达3000多万亩，一般引起大豆减产10-20%，有的30-50%，严重时甚至颗粒无收。孢囊线虫主要通过口针分泌一系列酶/蛋白效应子进入植物根细胞中，诱导根部维管束附近细胞融合形成合胞体（syncytia），吸取寄主营养，完成生活史，危害寄主。目前，鉴定的孢囊线虫蛋白效应子数量有限，且大多数效应子的致病机制以及孢囊线虫和寄主的互作机制尚不清楚，迫切需要鉴定更多的孢囊线虫蛋白效应子，阐明孢囊线虫的致病机制以及其与寄主的相互作用机制以制定长期有效防治该类病原线虫的策略与措施。
大豆的2个主要大豆孢囊线虫SCN抗性位点基因Rhg4 GmSHMT08 (Liu et al., 2012)及rhg1 [rhg1-b (GmAAT, GmSNAP18 and GmWI12, Cook et al., 2012)及rhg1-a GmSNAP18 (Liu et al., 2017)]已获克隆与功能鉴定。含t-SNARE结构域的大豆孢囊线虫蛋白HgSLP-1能与rhg1-a GmSNAP18互作，但其功能不清楚（Bekal et al., 2015）。该研究克隆了另外一个含t-SNARE结构域的大豆孢囊线虫基因HgSNARE1，并从甜菜孢囊线虫(beet cyst nematode, BCN) Heterodera schachtii克隆了一个与HgSNARE1同源性高达96.8%的HsSNARE1。通过原位杂交及免疫组化等分析表明HsSNARE1是一个蛋白效应子。异源表达HsSNARE1能显著增强转基因拟南芥的BCN感病性，而异源表达HgSNARE1显著降低了转基因拟南芥的BCN感病性，二者表现出相反的功能。蛋白结构模拟与分析表明HsSNARE1和HgSNARE1的N-端3个关键氨基酸残基多态性（E141D，A143T，-148S）能引起局部结构发生显著变化，在该区域HsSNARE1的为无规则卷曲（random coils），而HgSNARE1的是α-螺旋（α-helixes）。将HsSNARE1中这3个多态性氨基酸残基对应的核苷酸序列替换成HgSNARE1中的对应序列构建了HsSNARE1的突变体HsSNARE1-M1。异源表达HsSNARE1-M1转基因拟南芥表现与HgSNARE1转基因植株相似的BCN侵染表型，显著降低了拟南芥对BCN的感病性。进一步的分析表明，HsSNARE1、HgSNARE1及HsSNARE1-M1均可通过其t-SNARE结构域与rhg1-a GmSNAP18的拟南芥同源蛋白AtSNAP2互作；HsSNARE1还可通过N-端与AtPR1互作，而HsSNARE1-M1和HgSNARE1均不能与AtPR1互作。另外，AtSNAP2、Rhg4 GmSHMT08的拟南芥同源蛋白AtSHMT4及AtPR1可两两互作， 但 HsSNARE1、HgSNARE1及HsSNARE1-M1均不能与AtSHMT4互作。基因表达分析表明异源表达HsSNARE1转基因拟南芥显著抑制了AtPR1和AtSHMT4的表达，相反，异源表达HsSNARE1-M1及HgSNARE1转基因拟南芥均显著促进了AtPR1和AtSHMT4的表达。综上所述，孢囊线虫t-SNARE效应蛋白HsSNARE1通过同时与AtSNAP2和AtPR1互作刺激拟南芥感病，但第141、143及148位的氨基酸残基发生突变引起局部结构变化，从而失去与AtPR1结合的能力，导致拟南芥对BCN的感病性降低。
该研究获得了国家自然科学基金及中国农业科学院农业科技创新工程等项目的资助。中国农业科学院植物保护研究所博士生赵洁（已于今年6月毕业）为第一作者，刘世名研究员为通讯作者。刘世名研究员主要从事线虫抗性基因克隆与功能鉴定、线虫与寄主植物相互作用及大规模化学诱变大豆突变育种等方面的研究，尤其在大豆孢囊线虫抗性基因克隆方面取得了突破性进展，克隆了2个主要的大豆孢囊线虫抗性基因Rhg4 GmSHMT08 和 rhg1-a GmSNAP18，已在Nature, Nature Communications, Plant Biotechnology Journal, Journal of Advanced Research, Plant Journal及Theoretical and Applied Genetics等期刊上发表了一系列第一作者和/或通讯作者研究论文。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2090123222001588
参考文献:Liu, S., Kandoth, P.K., Lakhssassi, N., Kang, J., Colantonio, V., Heinz, R., Yechel, G., Zhou, Z., Bekal, S., Dapprich, J., Rotter, B., Cianzio, S., Mitchum, M.G., and Meksem, K. The soybean GmSNAP18 gene underlies two types of resistance to soybean cyst nematode. Nature Commun 2017; 8: 14822.
Cook, D.E., Lee, T.G., Guo, X., Melito, S., Wang, K., Bayless, A.M., Wang, J., Hughes, T.J., Willis, D.K., Clemente, T.E., Diers, B.W., Jiang, J., Hudson, M.E., and Bent, A.F. Copy number variation of multiple genes at Rhg1 mediates nematode resistance in soybean. Science 2012; 338: 1206-1209.
Liu, S., Kandoth, P.K., Warren, S.D., Yechel, G., Heinz, R., Alden, J., Yang, C., Jamai, A., Ei-Mellouki, T., Juvale, P.S., Hill, J., Baum, T.J., Cianzio, S., Whitham, S.A., Korkin, D., Mitchum, M.G., and Meksem, K. A soybean cyst nematode resistance gene points to a new mechanism of plant resistance to pathogens. Nature 2012; 492: 256-260.
Bekal, S., Domier, L.L., Gonfa, B., Lakhssassi, N., Meksem, K., and Lambert, K.N. A SNARE-like protein and biotin are implicated in soybean cyst nematode virulence. PLoS One 2015; 10: e0145601.
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