南方根结线虫凝集素类效应蛋白与过氧化氢酶互作促进线虫寄生

       8月27日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所植保研究室谢丙炎研究员病害团队与法国农科院索菲亚农业生物技术研究所Pierre Abad教授线虫团队在国际知名学术期刊New Phytologist（IF 10.151）合作发表了题为“A Meloidogyne incognita C-type lectin effector targets plant catalases to promote parasitism”的研究论文。该论文报道了南方根结线虫（Meloidogyne incognita）分泌的凝集素类效应蛋白MiCTL1a通过与宿主过氧化氢酶互作，调控细胞内活性氧稳态帮助线虫寄生的分子机制。

       植物寄生线虫是一类专性活体营养型寄生虫，有一句俗语“凡是有植物的地方就有线虫”，表明它们寄主广泛，种类繁多。根结线虫种类超过90种，能够侵染超过5500种植物，每年造成的经济损失超过70亿美元，其中南方根结线虫是农业生产上危害最严重的一类根结线虫。根结线虫的防治主要包括物理防治、生物防治和化学防治，但在田间应用存在见效慢、经济效益低、防治效果差和污染环境等弊端。种植抗病品种是解决问题的关键，但是抗性基因缺乏、商业化应用的抗病基因不耐高温、抗病机理不透彻及毒性群体的出现制约着分子育种技术的开发和应用。因此，解析根结线虫与宿主互作的分子机制，阐明根结线虫的致病机理，能够为寻找防治根结线虫的新靶标并制定新策略提供重要理论依据。近些年研究表明，根结线虫食道腺表达的效应蛋白在线虫与宿主互作过程发挥着重要作用。解析效应蛋白在线虫寄生过程的功能是揭示线虫与植物互作的分子基础。
       凝集素是一类广泛存在于动物和植物中的非免疫来源的糖结合蛋白，与各类细胞发生作用，发挥重要的生物学功能。根据蛋白序列相似性，可将凝集素分为G、L和C型凝集素。C型凝集素广泛存在于线虫属中，参与免疫调控并具有保护线虫免受病原物侵染的作用。在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中，存在278个C型凝集素蛋白，可将它们划分为七类，特异地响应不同的病原菌产生免疫反应。在动物寄生线虫中，C型凝集素在寄生阶段分泌进入宿主，可能调节宿主的免疫反应。在植物寄生线虫中，水稻根结线虫（Meloidogyne graminicola）存在三个C型凝集素序列，定位于亚腹食道腺，在侵染早期表达量显著升高，表明其在线虫寄生过程可能起非常重要的作用。南方根结线虫存在59个凝集素类蛋白，但是C型凝集素类效应蛋白的功能和在植物中的靶标蛋白仍然未知。
       本研究证明了南方根结线虫凝集素类效应蛋白MiCTL1在亚腹食道腺表达、在寄生过程分泌到植物组织中，在线虫寄生初期表达量显著增加，推测其可能在线虫与宿主互作、取食位点建立、巨大细胞形成和调节植物免疫方面发挥重要作用。病毒诱导的 MiCTL1基因沉默降低了南方根结线虫在本氏烟中的侵染能力，而拟南芥异位表达MiCTL1不仅增加了植物对南方根结线虫的敏感性，而且促进了根的生长。酵母双杂交和免疫共沉淀试验表明MiCTL1a与拟南芥过氧化氢酶相互作用，后者在H2O2稳态中起重要作用。过氧化氢酶的敲除或过表达分别显示出拟南芥对南方根结线虫的敏感性增加或减少。此外，MiCTL1a在体内和体外抑制过氧化氢酶活性，而且还调节拟南芥中与胁迫相关的基因表达。研究结果表明，与孢囊线虫类似，南方根结线虫调节宿主细胞过氧化氢稳态可能不仅是为了逃避宿主免疫反应，而且参与取食位点的建立和巨大细胞的形成与维持。
       综上所述，该研究首次报道了南方根结线虫凝集素效应子MiCTL1a与宿主过氧化氢酶互作，通过微调宿主与南方根结线虫互作细胞部位的氧化还原状态，有助于线虫与其宿主植物之间建立寄生关系。
       中国农业科学院蔬菜花卉研究所赵建龙博士、孙清华硕士、凌键副研究员和法国农科院索菲亚农业生物技术研究所Michaël Quentin博士为该论文的共同第一作者，谢丙炎研究员、茆振川研究员和Bruno Favery教授为共同通讯作者。中国农业科学院蔬菜花卉研究所杨宇红研究员、李彦研究员、张晓平博士和法国农科院索菲亚农业生物技术研究所Pierre Abad教授参与了该工作。本研究获得国家自然科学基金、中国农业科学院基本科研业务费和中国农业科学院创新工程的资助。

       原文链接https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.17690

图1：MiCTL1在南方根结线虫亚腹食道腺表达，在寄生过程分泌到植物组织中。

图2：MiCTL1a与拟南芥过氧化氢酶互作。