花椒枯萎病菌效应蛋白的全基因组特征解析及其对植物先天免疫的影响

为探究花椒枯萎病菌（Fusarium zanthoxyli）与花椒互作机制，研究人员鉴定分析其效应蛋白，发现 4 种影响植物免疫的蛋白。

　　花椒，这种在我国北方广泛种植的传统调味料，为无数美食增添了独特的风味。然而，近年来，一种名为花椒茎腐病的病害却如同一头凶猛的 “怪兽”，严重威胁着花椒的种植产业。花椒茎腐病是由花椒枯萎病菌（Fusarium zanthoxyli）引起的，它会导致花椒树的茎部出现溃疡、腐烂，使得花椒产量大幅下降，给种植户带来了巨大的经济损失。

目前，人们对于花椒枯萎病菌的了解还十分有限，尤其是病菌分泌的效应蛋白（effector proteins），这严重制约了对该病害的有效防治。效应蛋白就像是病菌的 “秘密武器”，在病菌入侵宿主植物、与植物免疫系统 “战斗” 的过程中起着关键作用。但由于真菌效应蛋白的多样性和复杂性，其研究一直面临诸多挑战，在森林病害领域更是进展缓慢。因此，深入研究花椒枯萎病菌的效应蛋白，揭示其与花椒之间的分子互作机制，对于开发新型防治策略、保障花椒产业的健康发展至关重要。

为了攻克这一难题，西北农林科技大学的研究人员展开了一项深入的研究。他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为我们理解花椒枯萎病菌的致病机制和植物的免疫反应提供了新的视角。

研究人员在本次研究中运用了多种技术方法。首先是生物信息学分析，通过对花椒枯萎病菌全基因组数据进行挖掘，预测和鉴定效应蛋白；转录组测序技术，测定病菌在不同感染阶段的基因表达变化，筛选关键效应蛋白基因；利用逆转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）对转录组数据进行验证，确保结果的可靠性；借助农杆菌介导的烟草瞬时表达实验，研究效应蛋白对植物先天免疫反应的影响；运用蛋白质结构预测和同源性分析技术，深入探究关键效应蛋白的功能和作用机制 。

在研究成果方面，研究人员首先对花椒枯萎病菌的效应蛋白进行了全基因组预测和特征分析。他们从病菌基因组编码的 11,316 个蛋白质序列中，成功鉴定出 137 个候选效应蛋白（FzEPs）。这些 FzEPs 具有序列短、富含半胱氨酸等特征，平均长度为 215 个氨基酸，含有 8 个半胱氨酸残基，平均分子量为 23.06 kD。通过系统发育分析，这些效应蛋白被分为 13 个簇，暗示同一簇内的蛋白可能具有相似功能。此外，研究还发现部分 FzEPs 含有与细胞壁降解、抑制植物免疫反应等相关的保守结构域，如果胶裂解酶、糖基水解酶、cerato - platanin 结构域和 Lysin Motif（LysM）结构域等。在功能注释方面，虽然大部分 FzEPs 在京都基因与基因组百科全书（KEGG）和病原体 - 宿主相互作用（PHI）数据库中的注释有限，但在基因本体（GO）数据库中，多数 FzEPs 可被注释到多种生物学过程、分子功能和细胞组成相关的术语，这表明它们在病菌与宿主植物的相互作用中可能发挥多种功能。

为了确定在病菌感染早期发挥关键作用的 FzEPs，研究人员进行了转录组分析。他们对感染不同时间的花椒茎中的病菌进行转录组测序，通过主成分分析（PCA）发现不同感染阶段的样本具有明显不同的转录组特征。进一步分析发现，在感染早期，有大量差异表达基因（DEGs），其中 24 个 FzEPs 基因在感染后的 2、4、6 天均显著上调。RT-qPCR 验证结果与转录组数据一致，表明这 24 个 FzEPs 可能是病菌初始感染阶段的关键效应蛋白。

研究人员随后对这 24 个关键 FzEPs 进行功能研究，通过农杆菌介导的烟草瞬时表达实验，发现 FzEP83 和 FzEP93 能够显著抑制由 INF1 诱导的程序性细胞死亡（PCD），同时减少活性氧（ROS）爆发和胼胝质沉积；而 FzEP94 和 FzEP123 则可诱导明显的 PCD，以及 ROS 和胼胝质沉积。这表明 FzEP83 和 FzEP93 可能在病菌侵染早期帮助病菌逃避植物的免疫识别和防御，而 FzEP94 和 FzEP123 则可能促进病菌从活体营养阶段向死体营养阶段转变，诱导宿主细胞死亡，为病菌获取更多营养。

最后，研究人员对这 4 个关键 FzEPs 进行了同源性比较和蛋白质结构分析。结果显示，它们的同源蛋白大多功能未知，但多存在于镰刀菌属中。蛋白质结构分析发现，FzEP83 含有 9 个半胱氨酸残基，形成 4 个分子内二硫键，具有 4 条 β - 链和 1 条短 α - 螺旋；FzEP93 含有 16 个半胱氨酸残基，形成 5 个二硫键，具有 2 条 α - 螺旋和 5 条 β - 链，构成 1 个 β - 折叠结构；FzEP94 和 FzEP123 均含有 4 个半胱氨酸残基，形成 2 个二硫键，具有 10 条 β - 链，构成 2 个反平行 β - 折叠，且分别含有 1 条和 2 条 α - 螺旋。这些结构特征为进一步理解它们的功能机制提供了重要线索。

在研究结论与讨论部分，研究人员系统地鉴定和分析了花椒枯萎病菌的效应蛋白，成功筛选出 4 种对植物先天免疫反应有显著影响的效应蛋白，即 FzEP83、FzEP93、FzEP94 和 FzEP123。其中，FzEP83 和 FzEP93 可能在病菌的活体营养阶段发挥重要作用，而 FzEP94 和 FzEP123 则与病菌的死体营养阶段密切相关。这些发现为深入研究花椒枯萎病菌与花椒的相互作用机制提供了宝贵的基因资源，也为培育抗茎腐病的花椒品种奠定了基础。

然而，目前对于花椒枯萎病菌效应蛋白的研究仍处于初级阶段，虽然研究人员取得了重要进展，但仍有许多问题有待解决。例如，这些效应蛋白在病菌侵染过程中的具体作用机制尚未完全明确，它们与植物免疫系统之间的复杂互作网络还需进一步深入研究。未来，需要更多的研究来揭示这些效应蛋白的奥秘，为花椒茎腐病的防治提供更有效的策略。