Cell重磅 | 植物、化工跨界合作！斯坦福大学解析番茄病原响应机制

为了探讨法卡林二醇的生物合成调控机制，美国斯坦福大学的研究团队采用非靶向代谢组学和RNA测序相结合的方法，在番茄中发现了一组基因簇参与番茄中法卡林二醇的生物合成，通过在异源宿主中重建初始生物合成步骤，利用转基因技术在番茄中产生突变体，进一步证明了该基因簇在法卡林二醇生物合成中的直接作用以及对番茄叶片中真菌和细菌病原体的抗性。这揭示了植物响应病原体雕刻其脂质库的机制，并提供了对合成炔基脂质的复杂生物化学的批判性见解。

植物材料：番茄（Solanum lycopersicum）栽培品种VF36和Heinz 1706，本氏烟草。

真菌和细菌：限制性马拉色菌（Malassezia restricta）、黄枝孢菌（Cladosporium fulvum）表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）、痤疮丙酸杆菌（Propionibacterium acnes）、黄单胞菌（Xanthomonas euvesicatoria）菌株85-10 (WT型和ΔhrcV突变型)、丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）致病番茄菌株DC3000 (WT型、ΔhrcU和ΔavrPtoΔavrPtoB突变体)、根癌农杆菌菌株GV3101、LBA4404和C58C1。

转录组+非靶向代谢组

1.组学联合 找突破口：番茄通过表达一系列不同的生物合成基因和代谢产物来响应生物胁迫

考虑到代谢物水平的时间变化可能与生物合成酶的转录水平相关，作者将非靶代谢组学和RNA测序相结合，对受到不同微生物激发子处理的番茄叶片的配对样品进行了分析。结果显示，包括法卡林二醇在内的代谢产物水平发生了明显和选择性的变化（图1A），表明对于法卡林二醇的代谢物与转录物的相关性分析有助于基因的筛选，为阐明生物合成途径的遗传基础提供起点。

图1参与法卡林二醇生产的生物合成基因的发现

2. 提出假设：法卡林二醇生物合成的可能途径

基于植物脂肪酸代谢通路的先前实例和特征化的乙炔酶，作者提出了有关法卡林二醇生物合成的假设，其中涉及去饱和酶参与的许多步骤（图2）。作者提出该通路的早期步骤可能涉及通过Crep1样乙炔酶将亚油酸转化为还阳参油酸。Crep1是已知参与修饰的脂肪酸生物合成的少数酶之一。因此，作者假设番茄中的相关乙炔酶可能需要将脂肪酸从初级代谢途径转移到次级代谢途径。由于无法在番茄中鉴定出准确的Crep1直系同源基因，取而代之，作者通过搜索去饱和酶的方法来生成候选乙炔酶的列表。

图2法卡林二醇的生物合成的可能途径和候选酶类别

3.组学关联 锚定目标：非靶代谢与转录组的相关性揭示了编码脂肪酸修饰酶的候选基因簇

将预测的去饱和酶转录本的表达水平与代谢组中法卡林二醇的含量进行关联分析（图1A和1B），发现6个表达水平与法卡林二醇含量最相关的基因。通过纳米孔DNA测序，证实其中4个基因依次位于基因组12号染色体上的同一区域（图1C，Solyc12g100240-Solyc12g100270），组成基因簇，该基因簇编码三种推定的去饱和酶和一种推定的脱羰酶。这4个基因的高度共表达提示该基因簇编码与脂肪酸代谢有关的酶簇。

4. 基因簇功能研究

（1）本氏烟瞬时表达+非靶代谢验证功能：

Solyc12g100240（ACET1a）和Solyc12g100260（ACET1b）是番茄乙炔酶；Solyc12g100250编码的去饱和酶可以使用还阳参油酸作为底物；Solyc12g100270可能在本氏烟中未以活性形式表达、缺失伴侣蛋白或在该通路的下游进一步发挥作用。

图3在本氏烟中瞬时表达番茄高修饰脂肪酸的生物合成基因

（2）CRISPR/Cas9基因编辑突变体+非靶代谢验证功能：法卡林二醇生物合成需要该基因簇。

图4 CRISPR/Cas9诱导的番茄定向诱变和基因互补

5. 病原菌互作研究基因簇突变体生物活性：基因簇番茄突变体在微生物感染过程中表现出抗性的改变

为了评估基因簇对基础番茄免疫反应的贡献，作者测量了毒性番茄病原体（一种真菌和两种细菌菌株）在野生型和突变型叶片中感染和复制的能力。发现该基因簇的突变可使番茄中与法卡林二醇产生相关的修饰脂肪酸生物合成中断，并导致番茄对一些病原菌的抗性增强（图5A-5C），而不会影响基础免疫反应。基因簇突变株系对缺失效应因子AvrPto和AvrPtoB的Pst DC3000菌株具有更高的抗性（图5D），表明这些病原菌的效应因子直接或间接干扰了Pst DC3000菌株感染过程中植物修饰脂肪酸的生物合成。总之，这些数据表明，该基因簇参与特殊脂肪酸（包括法卡林二醇）介导的番茄免疫反应。

图5 病原菌互作实验番茄叶片表型

6. 扩展讨论：生物信息学分析表明茄科植物中的法卡林二醇基因簇是保守的

序列同源性表明，茄科的几种物种中的共定位基因的相似集合具有较高的序列相似性（图6）（在蛋白质水平上> 80％–90％的序列ID），包括野生种番茄、马铃薯和辣椒。值得注意的是，这些植物都没有报道会累积法卡林二醇。鉴于仅在病原体激发的情况下，法卡林二醇才会积聚在番茄叶片中，其他物种（例如马铃薯）可能也具有产生炔基脂质的能力，但仅在特定的激发条件下才有可能。

图6 与茄科其他植物和胡萝卜的比较基因组学研究

该研究提供了直接的生物化学和遗传学证据，证明参与代谢的新基因簇中编码的三种核心酶的相互作用，它们协调作用于法卡林二醇的生物合成，并为绘制植物中因微生物诱导而产生的高度修饰的脂类化合物的丰富化学和生物学图谱打开了大门。

该研究是利用转录组学和非靶代谢组学联合分析，鉴定高度修饰脂肪酸生物合成的关键基因簇，揭示植物-病原菌互作新机制的代表性文章，主要思路：组学联合 找突破口 → 提出假设 → 组学关联 锚定目标 → 基因簇功能研究 → 病原菌互作研究，该研究还进一步讨论了基因簇在物种间的保守性。通过两次转录组学和非靶代谢组学的关联分析，筛选、锚定代谢物法卡林二醇与候选基因的关系，进而顺藤摸瓜找到关键基因簇，并确认基因簇的功能及其在病原菌互作中的作用。在植物生物胁迫研究中非常值得借鉴和参考！

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