农业危机有解 ?! 抓到坏死性真菌的痛脚

跟人一样，感染植物的病原也有百百种。植物为了抵御这些病原，当然也要发展出许多不同的对策。感染植物的真菌通常分为两大类：坏死性（necrotrophic）与生物营养性（biotrophic）。近年有些科学家主张还有第三种“半生物营养性”（hemibiotrophic）真菌，不过还没有被广泛地接受。

这两种真菌病原有什么差别？

感染灰霉病菌（Botrytis cinerea）的草莓。
图片来源：Wiki

它们的差别可大了！因为坏死性真菌要吸取死掉的植物细胞的养分，所以在感染植物后，会很快地造成植物的细胞坏死；而生物营养性真菌需要植物的细胞继续活着，才能让它们持续获取养分，所以就不会那么快杀死植物的细胞。

所以从植物抵御的角度看来，这两种病原不可能用同一套方法来对付：例如经由水杨酸（salicylic acid）启动的细胞程序性死亡（PCD，programmed cell death）用来对付生物营养性的病原（如导致白粉病的布氏白粉菌 Blumeria graminis）很有效，但用来对付灰霉病菌（Botrytis cinerea）就会适得其反。

最近，西班牙的农业基因组学研究中心（CRAG，Centre for Research in Agricultural Genomics）在发展研究植物 SUMO 化（SUMO-ylation）机制的方法时，发现 SUMO 化对植物抵御坏死性真菌入侵相当重要。

什么是 SUMO 化？

SUMO 化就是将蛋白质与 SUMO 进行连结，在动植物里面都可以找到这个机制；而 SUMO 是小分子类泛素修饰蛋白（Small Ubiquitin-like Modifier）的简称。虽然它与泛素（ubiquitin）都是经过酵素的作用加到蛋白质上面，但与泛素化（ubiquitination）不同的是，被 SUMO 化的蛋白质只会导致它与不同的蛋白质发生互动；而泛素化除了可以改变互动成员外，最有名的效应应该就是导致被它修饰的蛋白质被分解。除此之外，SUMO 蛋白还比泛素多了二十几个胺基酸。

蛋白质要被 SUMO 化必需经过三个酵素。简言之，第一个酵素（E1）将 SUMO 腺苷化（adenylation）并让它与第二个酵素（E2）发生连结，第二个酵素与第三个酵素（E3）再将 SUMO 连结到需要被SUMO 化的蛋白质上。可能因为 E1 与 E2 在细胞不可或缺的关系，科学家们一直找不到缺乏第一个酵素与 / 或第二个酵素的突变株，目前对 SUMO 相关功能的认知主要来自于缺乏 E3 的突变种。

为了找到研究 E1 与 E2 功能的方法，研究团队把人、酵母菌与阿拉伯芥的 SAE2（E1）进行序列的分析比较。过去已知 SAE2 主要靠着它的 Cys 区域（Cys domain）与泛素区域（ubiquitin-fold domain）来与它的 E2（在阿拉伯芥为 SCE1）进行互动。比对后发现，SAE2 与 SCE1 进行互动的区域，在不同物种之间的保留性相对较低。

研究团队发现，这段约为 190 个胺基酸长的片段（称为 SAE2^UFDCt）可以在体外干扰 SUMO 与 SCE1 的结合，且干扰程度与加入的剂量呈正比；于是研究团队将 SAE2^UFDCt 连结到植物中最强的花椰菜镶嵌病毒 35S 启动子（CaMV35S promoter）后，转入植物中并选出表现量高、中、低的三种转殖植物，来观察干扰 E1 与 E2 互动对植物的影响。

这些 SUMO 化有问题的植物，依据 SAE2^UFDCt 表现由低到高，出现的不正常性状也越来越严重。哪些问题呢？植株变小、早开花、种子产量降低以及耐旱程度降低。观察 SCE1（E2）可以看到，SAE2^UFDCt 的出现，使原来分布于细胞质与细胞核的 SCE1 都聚集到细胞核中；以 SAE2 的抗体处理后，可同时沈淀出 SAE2 与 SCE1，进一步确认了这两个蛋白质之间有紧密的互动。

过去研究已知 SUMO 化对植物的影响有非常多层面，包括贺尔蒙信息传递、根生长点干细胞的维护、对环境压力的耐受性、对病毒的抵抗力、经由水杨酸调节的免疫反应等。因此研究团队决定要观察这些SUMO 化有问题的植物对于灰霉病菌与烟色织孢霉（Plectosphaerella cucumerina）的抵抗力是否有改变。

结果发现，这些 SUMO 化有问题的植物，在感染灰霉病菌后两天就出现病征；但是野生种与 SUMO 蛋白过量表现的植物都在感染后三天才出现一样的症状。而且 SUMO 化问题最严重的植物，在病征出现后感染区域迅速扩大，到第十五天时已经死亡；但是野生种、SUMO 蛋白过量表现、SUMO 化问题最轻的植物，却可以挺过真菌的攻击。感染烟色织孢霉也有类似的结果：野生种与 SUMO 蛋白过量表现的植物，只在衰老的叶片出现完全坏死的病征，但 SUMO 化有问题的植物在感染后十天就有一半的叶片都烂掉。

农业危机有解 ? SUMO 化与坏死性真菌感染的关连

研究团队观察被感染的植物发现，虽然 SUMO 蛋白在感染后减少，但是被 SUMO 化的蛋白质在感染后三小时却出现急速上升的现象。虽然接着受到 SUMO 化的蛋白质会缓缓减少，但这两者间的关系还有待后续研究来厘清。但无庸置疑的是，SUMO 化与植物对病原的抵抗力的确是有关连的。

每年全世界因为真菌感染造成谷物损害有一亿两千五百万吨，足可提供六亿人口食用；因此，如何防治真菌感染对于农业至关重要。此篇研究为植物的 SUMO 化与坏死性真菌感染建立了很重要的关连，未来继续朝向这个方向研究，应该可以更进一步了解植物如何抵抗坏死性真菌、并开发药剂。

文 / 叶绿舒

参考文献：
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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