HPE21是一种来自Liberibacter细菌的效应蛋白，能够调节番茄植株中H2O2的积累

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：HPE21, a liberibacter effector modulating H 2O 2 accumulation in tomato plants

氧化应激在拟南芥黄化斑驳病毒（Candidatus Liberibacter solanacearum）致病中的作用及其效应蛋白HPE21与SlAKR1互作机制研究。HPE21诱导的H2O2积累受SlAKR1调控，且ROS积累模式与毒株A/B相关，揭示氧化损伤在植物-病原体互作中的关键地位。

　　

作者：Junepyo Oh, Julien G. Levy, Azucena Mendoza Herrera, Cecilia Tamborindeguy

所属机构：德克萨斯A&M大学昆虫学系及德克萨斯A&M农业生命研究机构，美国德克萨斯州大学城77843

摘要

Candidatus Liberibacter solanacearum是一种局限于韧皮部的革兰氏阴性细菌，通过木虱传播。全球已报道有多种单倍型该菌株感染多种植物，包括茄科和伞形科作物。在美国，单倍型A和B对番茄和马铃薯的生产造成了严重影响。尽管Ca. L. solanacearum感染过程中的分子机制尚不明确，但这种病原体可能通过分泌效应蛋白来操纵宿主植物。能够诱导或抑制植物免疫的效应蛋白有助于理解病原体与宿主植物之间的相互作用，从而导致植物感染。然而，目前关于Ca. L. solanacearum的效应蛋白的研究还十分有限。HPE21是一种已被证实能在植物中诱导活性氧（ROS）产生的Ca. L. solanacearum效应蛋白。本研究证实HPE21在Nicotiana benthamiana中引发了H₂O₂的积累；同时发现这种单倍型B特异性效应蛋白能诱导N. benthamiana细胞死亡，并与番茄醛酮还原酶1（SlAKR1）发生相互作用。此外，SlAKR1的表达可减少HPE21在N. benthamiana中诱导的H₂O₂积累。最后，研究表明H₂O₂在Ca. L. solanacearum感染植物中的积累具有单倍型依赖性。这些结果表明，氧化应激可能在Ca. L. solanacearum感染植物的疾病进展中起关键作用，而HPE21与SlAKR1之间的相互作用可能解释了Ca. L. solanacearum单倍型A和B之间的致病性差异。

引言

Liberibacter病原体是一类通过木虱传播的韧皮部限制性细菌。目前已鉴定出多种该菌株，其中Candidatus Liberibacter solanacearum和Ca. L. asiaticus受到广泛研究。Ca. L. asiaticus感染柑橘类植物，并与由亚洲柑橘木虱Diaphorina citri传播的“黄龙病”相关[1]。Ca. L. solanacearum于2008年首次被鉴定[2]，此后全球发现了多种单倍型，它们分别与不同的植物宿主和木虱种类相关[3][4][5]。单倍型A和B由马铃薯木虱Bactericera cockerelli（半翅目：Triozidae）传播，在美国对番茄和马铃薯等茄科作物造成严重危害[6][7][8]。 在马铃薯植物中，单倍型A和B与“斑马纹病”相关，这种病害会降低马铃薯的产量和品质[7][9]。这两种Ca. L. solanacearum单倍型在马铃薯植物中的病害进展和症状较为相似，均会导致植株矮化、叶片黄化及死亡。当感染植物的块茎被煎炸时，会出现黑色条纹[7]。然而，在番茄和烟草植物中，尽管单倍型A和B引起的症状相似，但其病害进展和严重程度有所不同。例如，两者都会导致植株矮化和黄化，但单倍型B会提前杀死番茄植株，而单倍型A感染的番茄植株仍能存活并结果实[6][10]。这些差异表明Ca. L. solanacearum单倍型A和B可能采用不同的感染策略和致病因子。 病原菌通过多种方式操纵宿主，以促进入侵、存活、复制和定殖[11][12]。其中一种常见的策略是分泌效应蛋白[13][14]。目前已鉴定出多种Liberibacter效应蛋白[15][16]。一些效应蛋白可能是Liberibacter感染植物时使用的“核心”效应蛋白组合的一部分；例如HPE1在Ca. L. solanacearum和Ca. L. asiaticus感染中具有相似功能：它们能与植物RADIATION SENSITIVE23（RAD23）蛋白相互作用，并能够抑制Prf^D1416V诱导的Nicotiana benthamiana细胞死亡[17][18][19][20]。其他参与感染过程的效应蛋白具有“独特性”，要么是因为它们仅由特定Liberibacter物种或单倍型编码/表达，要么是因为其序列差异导致功能改变。这些“独特”效应蛋白可能解释了不同Liberibacter物种或单倍型引起的疾病发展差异。 细菌效应蛋白也可被宿主识别并触发免疫反应。一些与Liberibacter相关疾病的症状可能源于植物的反应，例如，柑橘类植物中过量的活性氧（ROS）产生可能导致韧皮部细胞死亡，从而引发“黄龙病”症状[21]。虽然尚未研究Ca. L. solanacearum感染茄科植物时ROS的过量产生情况，但先前已有研究表明HPE21效应蛋白能在N. benthamiana叶片中诱导ROS积累[16]。因此，本研究的目的是：首先确定HPE21是否属于“核心”效应蛋白组合或“独特”效应蛋白组合；其次进一步评估HPE21在诱导或抑制植物免疫反应中的作用；第三，分析Ca. L. solanacearum感染番茄后ROS的积累情况，以及单倍型A和B感染番茄时是否存在与疾病发展相关的差异。

材料与方法

本研究设计的所有引物详见表S1。

HPE13和HPE21的生物信息学分析

HPE21（CKC_00035，GenBank登录号ADR51758.1）是一种长度为173个氨基酸的Ca. L. solanacearum B预测蛋白，被标注为“假想蛋白”。使用HPE21作为查询进行BLASTP搜索后，发现其与另外两种Ca. L. solanacearum B蛋白CKC_02890和CKC_02895具有小于1e-15的E值相似性。未发现与其他Ca. L. solanacearum单倍型、其他Liberibacter基因组或任何其他生物的显著相似性。 CKC_02890（GenBank）

讨论

比较分析不同Liberibacter病原体有助于识别它们共有的核心毒力基因，这些基因可能参与植物和/或媒介昆虫的感染过程。除了核心基因外，每种病原体还可能编码特定于某种病原体-植物系统的基因，例如，这些基因可能存在于感染茄科作物的Ca. L. solanacearum单倍型中，而不存在于感染胡萝卜的Ca. L. solanacearum单倍型中；或者这些基因可能是某些单倍型的特有基因。

CRediT作者贡献声明

Cecilia Tamborindeguy：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资金获取、概念构思。 Julien G. Levy：撰写、审稿与编辑、方法学研究、资金获取、数据分析。 Azucena Mendoza Herrera：数据可视化、数据分析。 Junepyo Oh：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学研究、实验设计、数据分析、概念构思。

数据可用性

本研究的所有数据均包含在手稿和补充材料中。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

资助

本研究得到了德克萨斯A&M大学及德克萨斯A&M农业生命研究机构的支持，具体项目包括“控制外来及入侵性昆虫传播病原体”（项目编号TEX0-9934-0，登录号7002235）和“CT TEX0-9381-2（登录号7005355）”。Junepyo Oh获得了德克萨斯A&M大学昆虫学系的Herb Dean '40奖学金。本工作还得到了“农业生产系统中的害虫与有益物种”项目的支持。

致谢

我们感谢德克萨斯A&M大学农业与生命科学学院的“Agriculture Women Excited to Share Opinions, Mentoring and Experiences (AWESOME)”教师团队在 manuscript 编辑方面提供的帮助。