北京時間12月19日，中國農業(yè)大學植物保護學院教授孫文獻團隊與國內外單位合作，在國際頂級學術期刊《科學》（Science）上發(fā)表題為“A bacterial nutrition strategy for plant disease control”（阻斷營養(yǎng)：植物細菌病害防控新途徑）的研究論文。研究團隊成功揭示了水稻細菌性條斑病菌將寄主細胞內的半乳糖轉化為一種獨特結構的磷酸糖酯化合物 “黃單胞糖”， 并作為專用營養(yǎng)供給病原菌增殖的分子機制。基于該發(fā)現，該團隊開創(chuàng)性地提出了“抗黃單胞糖 ”的育種策略，為防治多種重要作物細菌性病害提供了新途徑。

黃單胞菌可在水稻、柑橘、番茄、辣椒等400多種作物上引起細菌性病害，是一類危害全球農業(yè)生產的重要植物病原細菌。其中，稻生黃單胞菌條斑致病變種（Xanthomonas oryzae pv. oryzicola，簡稱Xoc）在水稻上引起嚴重的細菌性條斑??；由于缺乏有效的抗病基因，該病害在我國多個稻區(qū)發(fā)生，防控尤為困難，被列為我國重要的作物檢疫性病害。孫文獻團隊多年以來圍繞該病的發(fā)生機制開展了系列研究。

細菌性條斑病田間發(fā)病照片

大量研究證實，黃單胞菌主要利用三型效應蛋白作為核心致病因子，幫助病原菌在寄主組織內成功定殖，引起作物發(fā)病。其中，效應蛋白AvrBs2在黃單胞菌中高度保守，是對細菌致病力貢獻最大的毒性因子之一。然而自1990年被發(fā)現以來，AvrBs2毒力的分子機制一直是個未解之謎。孫文獻團隊通過長達十多年攻關，首次揭開了AvrBs2的“真面目”。研究發(fā)現，Xoc的AvrBs2是一種磷酸糖酯合成酶。它利用植物細胞內的尿苷二磷酸-α-D-半乳糖作為底物，催化合成一種名為“黃單胞糖”的環(huán)二半乳糖磷酸二酯化合物。借助植物中的糖轉運系統(tǒng)，黃單胞糖被運輸到植物細胞間隙。隨后，細菌通過其外膜上的轉運蛋白XanT，將黃單胞糖吸收到細胞內；再通過體內的磷酸二酯酶XanP將其水解為半乳糖-1-磷酸，進行代謝利用，供給細菌生長繁殖。研究還發(fā)現，黃單胞糖是一種黃單胞菌的專屬營養(yǎng)物質，不能被植物分解代謝。該研究闡明了Xoc利用AvrBs2-XanT-XanP共同構成一個完整的糖磷脂化合物的“合成-攝取-利用””系統(tǒng)，為黃單胞菌在寄主體內開辟了一條專屬的“營養(yǎng)供給線”。

Xoc利用AvrBs2-XanT-XanP獲取黃單胞糖的機制（左）和“抗黃單胞糖”策略（右）

基于這一基礎理論突破，該研究提出了一個極具應用潛力的病害防控新策略——“抗營養(yǎng)”策略。研究團隊發(fā)現，表達磷酸二酯酶XanP的轉基因水稻，Xoc侵染時，能夠大幅減少黃單胞糖在體內的累積，對細菌性條斑病的抗性顯著提高。尤為重要的是，XanP高度的底物特異性，使得轉基因水稻并未顯示出明顯的農藝性狀和代謝組變化，具有良好的應用前景。

該研究不僅破解了困擾植物病理學界數十年的謎題，深化了人們對病原菌與寄主相互作用復雜性的理解，更展示了從基礎研究到應用創(chuàng)新的完整閉環(huán)。所開發(fā)的“抗營養(yǎng)”策略，有望廣泛應用于由不同黃單胞菌引起的多種重要病害的防控，如辣椒和番茄的細菌性斑點病、木薯細菌性枯萎病、柑橘潰瘍病以及麥類細菌性條斑病等，為綠色、可持續(xù)的植物病害防控提供了全新的解決方案和堅實的科學基礎。

中國農業(yè)大學植物保護學院為該論文的第一完成單位；孫文獻團隊博士后王善之（已出站，現為西南大學含弘研究員）為論文第一作者；孫文獻、杜克大學教授Sheng Yang He和王善之為共同通訊作者。我校植保學院教授劉志龍和實驗師戚琳璐、農學院教授金危危、理學院教授王明安、吉林大學教授羅招慶、加州大學教授Brian Staskawicz、杜克大學教授Pei Zhou，韓國首爾大學教授Yong-Hwan Lee等參與了該項研究。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。

來源 | 植保學院

編輯 | 馬文冉

審校 | 楊雨睿 尚怡彤

責編 | 范晨輝 姜萍萍