黄单胞菌利用hca基因簇降解和利用宿主酚酸_学术前沿

黄单胞菌利用hca基因簇降解和利用宿主酚酸

高校动态/学术前沿 2022-05-10 09:05:44 879 来源：上海交通大学

近日，中国植物病理学会与中国农业大学联合出版的英文国际期刊Phytopathology Research在线发表了上海交通大学生命科学技术学院何亚文教授团队的研究文章“黄单胞菌利用hca基因簇降解和利用宿主酚酸，增强致病力”(The phytopathogen Xanthomonas campestris scavenges hydroxycinnamic acids in planta via the hca cluster to increase virulence on its host plant)。此前，该项研究的姊妹篇文章“黄单胞菌利用反向转录的pobA/pobR位点感应和启动4-羟基苯甲酸降解，促进致病”(The phytopathogen Xanthomonas campestris utilizes the divergently transcribed pobA/pobR locus for 4-hydroxybenzoic acid recognition and degradation to promote virulence)已经发表于国际权威期刊Molecular Microbiology，2020，114(5)：870-886. 生命科学技术学院博士研究生陈博为两篇文章的第一作者，何亚文教授为通讯作者，美国爱达荷大学Alan R. Poplawsky副教授和广西农科院植物保护研究所李瑞芳副研究员参与了部分研究。

黄单胞菌属有26个种、50多个亚种，大部分成员是植物病原细菌，可以侵染400多种主粮和经济作物，包括水稻、小麦、柑橘、番茄、胡椒、木薯、香蕉、大豆、十字花科蔬菜和油料作物等，造成严重的经济损失。酚类化合物是植物产生的一类重要的次生代谢产物，参与植物生长发育，并在植物受到病原菌侵染后大量合成，参与防卫反应。因此，黄单胞菌在侵染过程中会暴露在大量酚类化合物的作用之下。由于这些酚类化合物具有广谱抑菌与抗氧化活性，如何拮抗与利用酚类化合物是黄单胞菌成功侵染需要克服的挑战之一，也是黄单胞菌-植物互作研究中一个重要的科学问题。

该研究首先在十字花科植物甘蓝叶片中检测出4-羟基肉桂酸（4-HCA）、阿魏酸（FA）、芥子酸（SiA）、咖啡酸（CA）和4-羟基苯甲酸（4-HBA）。野油菜黄单胞菌(Xanthomonas campestris pv. campestris, Xcc)能有效降解这些酚酸类化合物。Xcc中操纵子hcaRHDL编码一个MarR家族转录因子、辅酶A水合酶、脱氢酶和辅酶A连接酶，负责将4-HCA、FA和SiA分别转化成为4-HBA、香草酸和丁香酸（图1）。研究发现，当Xcc处于无酚酸的生长环境或附生在植物表面，转录因子HcaR结合在hca操纵子启动子Phca "ATTGTATCCATGAAATACAATCTAG"位点，与-10 box重叠，抑制hca操纵子的表达。当Xcc处于富含酚酸的生长环境或侵入植物体内，酚酸诱导hca操纵子表达。表达的HcaL将酚酸转化成酚酸辅酶A，酚酸辅酶A作为效应物结合HcaR，导致HcaR从启动子Phca上的结合位点释放下来，进一步促进了hca操纵子的表达，加速酚酸的降解（图1）。监测hca表达的报告菌株XC1::Phca-gusA侵入萝卜叶片后，可以在叶片中明显检测到GUS活性，表明hca操纵子在Xcc侵染过程中表达；敲除hca显著降低野油菜黄单胞菌在甘蓝和萝卜上的致病力。

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Xcc能够继续利用pobA/pobR位点编码的转录因子PobR感应4-HCA降解产物4-羟基苯甲酸（4-HBA），然后诱导4-HBA羟化酶基因pobA表达，将4-HBA转化为原儿茶酸，继而通过pca基因簇逐步转化生成乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A，最终进入三羧酸循环。研究表明，由于pobA基因启动子区域-10 box和-35 box的间隔碱基太长（21 bp），RNA聚合酶无法完全覆盖整个启动子区域，导致pobA无法正常表达。需要4-HBA与受体PobR结合后形成二聚化复合体，再结合到pobA基因启动子区域，协助RNA聚合酶启动pobA表达（图2）。上述研究结果充分说明快速感应酚酸的存在并启动酚酸降解和利用途径在植物病原黄单胞菌侵染过程中起重要作用，是植物病原黄单胞菌的一类新型致病机制。

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