植物病原菌乙酰胆碱趋化性的分子机制及其在植物-微生物互作中的生态意义

本研究揭示了全球重要植物病原菌（Agrobacterium fabrum和Dickeya spp.）通过dCache_1型受体（AtuA/MkcA/DdaA）介导乙酰胆碱趋化性的分子机制，解析了胆碱结合的高分辨率结构，证实乙酰胆碱兼具营养源和渗透保护功能，为植物-微生物共进化及抗逆策略提供了新见解。

　　

在植物与微生物的复杂共生关系中，化学信号介导的互作机制一直是研究热点。乙酰胆碱（acetylcholine）作为哺乳动物神经系统的经典神经递质，近年来被发现广泛存在于植物界，参与生长发育和逆境响应调控。然而，这种古老信号分子在植物-微生物互作中的功能机制尚属空白。西班牙格拉纳达晶体研究所（Laboratory of Crystallographic Studies, IACT, CSIC）的研究团队在《Microbial Risk Analysis》发表的研究，首次揭示了植物病原菌通过特异性受体感知乙酰胆碱的分子机制及其生态意义。

研究采用多学科技术手段：通过毛细管趋化实验定量分析细菌趋化行为；利用差异扫描荧光法（DSF）和等温滴定量热法（ITC）测定配体结合特性；采用X射线晶体学解析受体-胆碱复合物结构（分辨率1.5 ?）；通过基因敲除和回补实验验证受体功能；结合竞争定植实验和渗透保护分析评估生理意义。

3.1 乙酰胆碱趋化响应特征
定量分析显示Agrobacterium fabrum C58和Dickeya solani MK10对乙酰胆碱的响应阈值分别为1 μM和10 μM，最大响应分别出现在1 mM和100 mM浓度。这种宽浓度范围的敏感性与植物体内乙酰胆碱的生理浓度（μM-mM级）高度匹配，暗示其生态相关性。

3.2-3.5 受体鉴定与功能验证
基因组分析锁定dCache_1型受体AtuA（A. fabrum）、MkcA（D. solani）和DdaA（D. dadantii）。ITC测定显示这些受体对乙酰胆碱的亲和力（K_D）介于19-92 μM，其中AtuA还能识别胆碱（4.9 μM）、甜菜碱（2.5 μM）和L-肉碱（7.6 μM）。基因敲除实验证实AtuA是A. fabrum中乙酰胆碱趋化的唯一受体，而Dickeya spp.存在功能冗余。

3.6 结构基础解析
MkcA-LBD与胆碱的复合物晶体结构（PDB ID待定）揭示其结合口袋由5个酪氨酸构成π-box，胆碱的季铵基团通过阳离子-π相互作用稳定，羟基与T229/D231形成氢键网络。点突变实验证实Y184和D231对配体识别至关重要，其突变使结合活性完全丧失。

3.7-3.8 生态功能验证
竞争定植实验显示DdaA缺陷株在马铃薯叶片中的定植能力降低2.3倍（P<0.05）。生理实验表明乙酰胆碱在A. fabrum中可作为碳氮源，而在Dickeya spp.中主要发挥渗透保护功能——在0.4 M NaCl胁迫下，1 mM乙酰胆碱使三种病原菌的滞后期缩短53-67%。

该研究首次系统阐释了植物病原菌感知乙酰胆碱的分子机制，提出"化学趋向-环境适应"协同进化的新范式。dCache_1受体对乙酰胆碱的高亲和力识别（K_D≈10^-5 M），与植物渗出液中该物质的生理浓度完美匹配，暗示其在微生物趋利避害中的导航作用。特别值得注意的是，乙酰胆碱的双重功能（营养/渗透保护）为理解植物-微生物互作提供了新维度：病原菌可能通过趋化性定位宿主应激部位（如渗透失衡组织），同时利用乙酰胆碱缓解自身渗透胁迫。这些发现为开发针对化学感应通路的抗微生物策略（如受体拮抗剂设计）奠定了理论基础，也为作物抗病育种提供了潜在分子靶标。