北京時(shí)間12月19日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院教授孫文獻(xiàn)團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外單位合作，在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上發(fā)表題為“A bacterial nutrition strategy for plant disease control”（阻斷營(yíng)養(yǎng)：植物細(xì)菌病害防控新途徑）的研究論文。研究團(tuán)隊(duì)成功揭示了水稻細(xì)菌性條斑病菌將寄主細(xì)胞內(nèi)的半乳糖轉(zhuǎn)化為一種獨(dú)特結(jié)構(gòu)的磷酸糖酯化合物 “黃單胞糖”， 并作為專用營(yíng)養(yǎng)供給病原菌增殖的分子機(jī)制。基于該發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地提出了“抗黃單胞糖 ”的育種策略，為防治多種重要作物細(xì)菌性病害提供了新途徑。

黃單胞菌可在水稻、柑橘、番茄、辣椒等400多種作物上引起細(xì)菌性病害，是一類危害全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要植物病原細(xì)菌。其中，稻生黃單胞菌條斑致病變種（Xanthomonas oryzae pv. oryzicola，簡(jiǎn)稱Xoc）在水稻上引起嚴(yán)重的細(xì)菌性條斑病；由于缺乏有效的抗病基因，該病害在我國(guó)多個(gè)稻區(qū)發(fā)生，防控尤為困難，被列為我國(guó)重要的作物檢疫性病害。孫文獻(xiàn)團(tuán)隊(duì)多年以來(lái)圍繞該病的發(fā)生機(jī)制開(kāi)展了系列研究。

細(xì)菌性條斑病田間發(fā)病照片

大量研究證實(shí)，黃單胞菌主要利用三型效應(yīng)蛋白作為核心致病因子，幫助病原菌在寄主組織內(nèi)成功定殖，引起作物發(fā)病。其中，效應(yīng)蛋白AvrBs2在黃單胞菌中高度保守，是對(duì)細(xì)菌致病力貢獻(xiàn)最大的毒性因子之一。然而自1990年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，AvrBs2毒力的分子機(jī)制一直是個(gè)未解之謎。孫文獻(xiàn)團(tuán)隊(duì)通過(guò)長(zhǎng)達(dá)十多年攻關(guān)，首次揭開(kāi)了AvrBs2的“真面目”。研究發(fā)現(xiàn)，Xoc的AvrBs2是一種磷酸糖酯合成酶。它利用植物細(xì)胞內(nèi)的尿苷二磷酸-α-D-半乳糖作為底物，催化合成一種名為“黃單胞糖”的環(huán)二半乳糖磷酸二酯化合物。借助植物中的糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，黃單胞糖被運(yùn)輸?shù)街参锛?xì)胞間隙。隨后，細(xì)菌通過(guò)其外膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白XanT，將黃單胞糖吸收到細(xì)胞內(nèi)；再通過(guò)體內(nèi)的磷酸二酯酶XanP將其水解為半乳糖-1-磷酸，進(jìn)行代謝利用，供給細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖。研究還發(fā)現(xiàn)，黃單胞糖是一種黃單胞菌的專屬營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，不能被植物分解代謝。該研究闡明了Xoc利用AvrBs2-XanT-XanP共同構(gòu)成一個(gè)完整的糖磷脂化合物的“合成-攝取-利用””系統(tǒng)，為黃單胞菌在寄主體內(nèi)開(kāi)辟了一條專屬的“營(yíng)養(yǎng)供給線”。

Xoc利用AvrBs2-XanT-XanP獲取黃單胞糖的機(jī)制（左）和“抗黃單胞糖”策略（右）

基于這一基礎(chǔ)理論突破，該研究提出了一個(gè)極具應(yīng)用潛力的病害防控新策略——“抗?fàn)I養(yǎng)”策略。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，表達(dá)磷酸二酯酶XanP的轉(zhuǎn)基因水稻，Xoc侵染時(shí)，能夠大幅減少黃單胞糖在體內(nèi)的累積，對(duì)細(xì)菌性條斑病的抗性顯著提高。尤為重要的是，XanP高度的底物特異性，使得轉(zhuǎn)基因水稻并未顯示出明顯的農(nóng)藝性狀和代謝組變化，具有良好的應(yīng)用前景。

該研究不僅破解了困擾植物病理學(xué)界數(shù)十年的謎題，深化了人們對(duì)病原菌與寄主相互作用復(fù)雜性的理解，更展示了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用創(chuàng)新的完整閉環(huán)。所開(kāi)發(fā)的“抗?fàn)I養(yǎng)”策略，有望廣泛應(yīng)用于由不同黃單胞菌引起的多種重要病害的防控，如辣椒和番茄的細(xì)菌性斑點(diǎn)病、木薯細(xì)菌性枯萎病、柑橘潰瘍病以及麥類細(xì)菌性條斑病等，為綠色、可持續(xù)的植物病害防控提供了全新的解決方案和堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院為該論文的第一完成單位；孫文獻(xiàn)團(tuán)隊(duì)博士后王善之（已出站，現(xiàn)為西南大學(xué)含弘研究員）為論文第一作者；孫文獻(xiàn)、杜克大學(xué)教授Sheng Yang He和王善之為共同通訊作者。我校植保學(xué)院教授劉志龍和實(shí)驗(yàn)師戚琳璐、農(nóng)學(xué)院教授金危危、理學(xué)院教授王明安、吉林大學(xué)教授羅招慶、加州大學(xué)教授Brian Staskawicz、杜克大學(xué)教授Pei Zhou，韓國(guó)首爾大學(xué)教授Yong-Hwan Lee等參與了該項(xiàng)研究。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

來(lái)源 | 植保學(xué)院

編輯 | 馬文冉

審校 | 楊雨睿 尚怡彤

責(zé)編 | 范晨輝 姜萍萍