許多植物在受到病原菌或食草動物攻擊後可以啟用一些有毒物質的產生以防禦這些生物脅迫。比如十字花科植物體內具有氨基酸衍生的硫代葡萄糖苷(GLs),當細胞或組織受到損傷時,GLs被β-硫代葡萄糖苷葡糖水解酶啟用,產生有毒的異硫氰酸鹽(ITC)和氰基衍生物,這種所謂的“芥子油彈”為十字花科植物提供了有效的生物防禦【1】。
然而,這些食草動物或病原菌也已進化出相應的策略防止ITC的毒害。比如,大多數的草食動物會透過谷胱甘肽依賴性巰基酸途徑偶聯GL水解產物,從而使其失活【2】。一些特定的植食性昆蟲還可以透過其他途徑代謝GLs以防止ITC的生產。此外,細菌也可以透過與食草動物完全不同的策略對ITC進行解毒。研究表明,細菌可以透過使用稱為ITC水解酶的金屬-β-內醯胺酶(MBL)酶將ITC直接降解為羰基硫及其相應的胺【3】。但是目前尚不清楚在十字花科植物中定植的病原真菌如何應對GL及其毒性水解產物。
近日,德國馬克斯·普朗克化學生態研究所Daniel G. Vasso研究組在Nature Communications線上發表了一篇題為The phytopathogenic fungus Sclerotinia sclerotiorum detoxifies plant glucosinolate hydrolysis products via an isothiocyanate hydrolase的研究論文,在擬南芥中研究了GLs在植物與核盤菌(Sclerotonia sclerotiorum)中的相互作用以及真菌在侵染過程中規避GLs的代謝機制。
核盤菌是對植物最具破壞性的病原真菌之一,可以對包括十字花科植物在內的全球400多種植物引起白黴病。該研究表明ITC而非GLs在植物抵抗核盤菌侵染中發揮重要作用,並且核盤菌侵染後植物體內的ITC含量先升高後降低,表明核盤菌侵染初期誘導了GL-ITC的產生,但後期真菌對ITCs進行分解。進一步的培養試驗結果表明,核盤菌可以透過兩個ITC轉化途徑(硫醚氨酸共軛途徑和水解降解途徑)降低ITC,但主要依賴直接水解途徑。
Proposed pathways for the degradation of 4MSOB-ITC by S. sclerotiorum.
該研究還基於保守結構域對5個MBL蛋白進行了轉錄分析以鑑定核盤菌中負責ITC降解的蛋白,結果發現ITC可以顯著提高Ss12040基因的轉錄水平,體外試驗也表明Ss12040能夠水解體外提供的所有ITC,形成相應的胺。該研究將Ss12040命名為SsSaxA,並發現SsSaxA的敲除顯著降低了ITC的降解效率,因此也降低了突變體對ITC的耐受度。該研究還在擬南芥和十字花科植物中進行了驗證,發現ΔSsSaxA突變體對植物的侵染及致病能力顯著降低。
ΔSsSaxA mutants are significantly less virulent on A. thaliana Col-0 than the wild-type fungus.
綜上,核盤菌主要透過水解途徑適應十字花科寄主的“GL-myrosinase“化學防禦系統。因為也曾有研究表明,透過連線GSH的共軛途徑依然會對昆蟲體內的蛋白含量以及昆蟲發育會產生負面影響,是一種代價較大的解毒方式,因此作者推測,核盤菌中兩條途徑共存,共軛途徑用於快速的脫毒適應,而水解途徑則是更為長期的解毒策略。該研究為十字花科植物的真菌病害防控提供了新的研究思路。