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農業危機有解 ?! 抓到壞死性真菌的痛腳

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跟人一樣,感染植物的病原也有百百種。植物為了抵禦這些病原,當然也要發展出許多不同的對策。感染植物的真菌通常分為兩大類:壞死性(necrotrophic)生物營養性(biotrophic)。近年有些科學家主張還有第三種「半生物營養性」(hemibiotrophic)真菌,不過還沒有被廣泛地接受。

這兩種真菌病原有什麼差別?

 感染灰黴病菌(Botrytis cinerea)的草莓。 圖片來源:Wiki

感染灰黴病菌(Botrytis cinerea)的草莓。
圖片來源:Wiki

它們的差別可大了!因為壞死性真菌要吸取死掉的植物細胞的養分,所以在感染植物後,會很快地造成植物的細胞壞死;而生物營養性真菌需要植物的細胞繼續活著,才能讓它們持續獲取養分,所以就不會那麼快殺死植物的細胞。

所以從植物抵禦的角度看來,這兩種病原不可能用同一套方法來對付:例如經由水楊酸(salicylic acid)啟動的細胞程序性死亡(PCD,programmed cell death)用來對付生物營養性的病原(如導致白粉病的布氏白粉菌 Blumeria graminis)很有效,但用來對付灰黴病菌(Botrytis cinerea)就會適得其反。

最近,西班牙的農業基因組學研究中心(CRAG,Centre for Research in Agricultural Genomics)在發展研究植物 SUMO 化(SUMO-ylation)機制的方法時,發現 SUMO 化對植物抵禦壞死性真菌入侵相當重要。

什麼是 SUMO 化?

SUMO 化就是將蛋白質與 SUMO 進行連結,在動植物裡面都可以找到這個機制;而 SUMO 是小分子類泛素修飾蛋白(Small Ubiquitin-like Modifier)的簡稱。雖然它與泛素(ubiquitin)都是經過酵素的作用加到蛋白質上面,但與泛素化(ubiquitination)不同的是,被 SUMO 化的蛋白質只會導致它與不同的蛋白質發生互動;而泛素化除了可以改變互動成員外,最有名的效應應該就是導致被它修飾的蛋白質被分解。除此之外,SUMO 蛋白還比泛素多了二十幾個胺基酸。

蛋白質要被 SUMO 化必需經過三個酵素。簡言之,第一個酵素(E1)將 SUMO 腺苷化(adenylation)並讓它與第二個酵素(E2)發生連結,第二個酵素與第三個酵素(E3)再將 SUMO 連結到需要被SUMO 化的蛋白質上。可能因為 E1 與 E2 在細胞不可或缺的關係,科學家們一直找不到缺乏第一個酵素與 / 或第二個酵素的突變株,目前對 SUMO 相關功能的認知主要來自於缺乏 E3 的突變種。

為了找到研究 E1 與 E2 功能的方法,研究團隊把人、酵母菌與阿拉伯芥的 SAE2(E1)進行序列的分析比較。過去已知 SAE2 主要靠著它的 Cys 區域(Cys domain)與泛素區域(ubiquitin-fold domain)來與它的 E2(在阿拉伯芥為 SCE1)進行互動。比對後發現,SAE2 與 SCE1 進行互動的區域,在不同物種之間的保留性相對較低。

研究團隊發現,這段約為 190 個胺基酸長的片段(稱為 SAE2UFDCt)可以在體外干擾 SUMO 與 SCE1 的結合,且干擾程度與加入的劑量呈正比;於是研究團隊將 SAE2UFDCt 連結到植物中最強的花椰菜鑲嵌病毒 35S 啟動子(CaMV35S promoter)後,轉入植物中並選出表現量高、中、低的三種轉殖植物,來觀察干擾 E1 與 E2 互動對植物的影響。

這些 SUMO 化有問題的植物,依據 SAE2UFDCt 表現由低到高,出現的不正常性狀也越來越嚴重。哪些問題呢?植株變小、早開花、種子產量降低以及耐旱程度降低。觀察 SCE1(E2)可以看到,SAE2UFDCt 的出現,使原來分佈於細胞質與細胞核的 SCE1 都聚集到細胞核中;以 SAE2 的抗體處理後,可同時沈澱出 SAE2 與 SCE1,進一步確認了這兩個蛋白質之間有緊密的互動。

過去研究已知 SUMO 化對植物的影響有非常多層面,包括賀爾蒙信息傳遞、根生長點幹細胞的維護、對環境壓力的耐受性、對病毒的抵抗力、經由水楊酸調節的免疫反應等。因此研究團隊決定要觀察這些SUMO 化有問題的植物對於灰黴病菌與煙色織孢霉(Plectosphaerella cucumerina)的抵抗力是否有改變。

結果發現,這些 SUMO 化有問題的植物,在感染灰黴病菌後兩天就出現病徵;但是野生種與 SUMO 蛋白過量表現的植物都在感染後三天才出現一樣的症狀。而且 SUMO 化問題最嚴重的植物,在病徵出現後感染區域迅速擴大,到第十五天時已經死亡;但是野生種、SUMO 蛋白過量表現、SUMO 化問題最輕的植物,卻可以挺過真菌的攻擊。感染煙色織孢霉也有類似的結果:野生種與 SUMO 蛋白過量表現的植物,只在衰老的葉片出現完全壞死的病徵,但 SUMO 化有問題的植物在感染後十天就有一半的葉片都爛掉。

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農業危機有解 ? SUMO 化與壞死性真菌感染的關連

研究團隊觀察被感染的植物發現,雖然 SUMO 蛋白在感染後減少,但是被 SUMO 化的蛋白質在感染後三小時卻出現急速上升的現象。雖然接著受到 SUMO 化的蛋白質會緩緩減少,但這兩者間的關係還有待後續研究來釐清。但無庸置疑的是,SUMO 化與植物對病原的抵抗力的確是有關連的。

每年全世界因為真菌感染造成穀物損害有一億兩千五百萬噸,足可提供六億人口食用;因此,如何防治真菌感染對於農業至關重要。此篇研究為植物的 SUMO 化與壞死性真菌感染建立了很重要的關連,未來繼續朝向這個方向研究,應該可以更進一步了解植物如何抵抗壞死性真菌、並開發藥劑。

文 / 葉綠舒

參考文獻:
1. L. Castano-Miquel et. al., 2017. SUMOylation inhibition mediated by disruption of SUMO E1-E2 interactions confers plant susceptibility to necrotrophic fungal pathogens. Molecular Plant.
2. David Moore, Geoffrey D. Robson and Anthony P. J. Trinci. 21st Century Guidebook to Fungi. 14.10 Necrotrophic and biotrophic pathogens of plants.
3. 2017/4/10. Key mechanism in the plant defense against fungal infections. Science Daily.

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