植物-病原互作中的糖类难题：转化酶和糖运输蛋白的作用取决于病害系统

Sugar conundrum in plant–pathogen interactions: roles of INVertase and sugar transporters depend on pathosystems

摘要

CWIN(细胞壁转化酶)和糖转运蛋白STP(糖转运蛋白)和SWEET(糖将最终被输出转运蛋白)在植物-病原体相互作用中发挥着重要作用。这篇文章全面总结了各个研究，分析了三者之间的联系。通过分析表明，CWIN、SWEET和STP对植物-微生物相互作用的调控是由相关的特定病理系统所决定的。CWIN 在植物抗性中的作用很大程度上取决于病原体的生活方式(生物营养体，坏死性营养体或半生物营养体)，可能通过CWIN介导的水杨酸或茉莉酸信号传导和程序性细胞死亡途径。SWEETs和STPs的上调可能会增强或降低植物的抗性，这取决于病原体从宿主细胞获得糖的细胞位点。最后，植物利用独特的机制来抵御病毒感染，部分是通过基于糖的对胞间连丝发育或孔的调节。

研究背景：

植物在受到病原入侵时会激活各种防御系统，以防止或减缓病原体的增殖，从细胞壁增厚和胼胝质沉积到活性氧和免疫相关植物激素的产生，即水杨酸(SA)，茉莉酸(JA)，以及防御相关蛋白和次生代谢产物如植物抗毒素和酚类物质的从头生物合成。为满足密集的能源需求，防御反应所需的营养物质和还原剂，在感染期间植物的主要代谢被重新编辑，包括例如，诱导光合作用，增加呼吸，改变氮(N)，脂质和碳水化合物代谢。为此，糖是植物防御反应的主要能量来源和C骨架。病原体引起的叶片光合作用的停止通常会导致感染组织从源到汇的转变。从源到汇的代谢状态要求糖通过远距离转运，以蔗糖(Suc)的形式从邻近或远端健康源叶片输入到感染组织。很多的证据揭示了Suc代谢和运输在植物抵抗或适应生物胁迫中的重要作用。例如，番茄叶片中糖含量的增加增强了对叶片病害的抵抗力。水稻和拟南芥植物添加外源性的Suc，葡萄糖(Glc)或果糖(Fru)增加了对真菌（稻瘟）和细菌病原体syringae pv的抗性。

糖代谢和转运可能通过多种方式调节后期植物-病原体相互作用。首先，糖为防御反应提供C营养和能量。防御反应包括细胞壁强化、植物抗毒素的生物合成和防御相关蛋白(如致病相关蛋白)的诱导，对糖的需求急剧增加。其次，积累的可溶性糖(尤其是己糖)本身可能通过糖信号激活防御相关基因的表达，如各种PR基因。最后，可溶性糖，特别是那些额外的细胞基质，经常作为C的来源，为病原体的生长，从而增加其毒力。因此，糖可以在植物抵御病原体感染中发挥积极或消极的作用，取决于病原体和植物细胞“拉锯战”的结果争夺糖资源。Suc在植物体中的降解和后续糖的跨质膜转运不仅决定了植物体中糖的浓度和组成，而且还决定了有机碳在宿主和病原体之间的分配，从而决定了植物-病原体相互作用的结果。

对于病原菌：为了成功地在植物上定殖，细菌和真菌病原体通常通过诱导宿主SWEETs 的表达来操纵植物的糖转运系统，将糖输出到细胞质空间以促进它们的生长。SWEETs是一类能量不依赖的单转运体，用于将糖转运到膜上。作为对抗措施，宿主细胞上调能量依赖的STPs和SUTs的表达或活性，将糖回收到植物细胞的细胞质中，减少对病原菌的糖供应。STP可能是主要的糖转运体，负责胞质糖的再摄取，以减少细菌感染。另一种对抗措施是上调宿主细胞壁转化酶(CWIN)在病原体感染中的表达。CWIN衍生的己糖可以作为信号分子激活植物的防御反应，如ROS爆发、超敏反应、细胞壁生物合成、次生代谢产物的产生以及生物钟和气孔孔径的改变。但是，目前的研究表明，CWIN、SWEETs和STP在不同系统的植物-病原体相互作用中似乎发挥着相互矛盾甚至截然相反的作用。虽然很多人都关注了CWIN和糖转运蛋白在宿主对细菌和真菌攻击的应答中的作用，但这些蛋白在病毒感染应答中的潜在作用似乎被忽视了。最后，对于病原体来源的CWINs和糖转运蛋白在植物-病原体相互作用中的功能知之甚少。

CWIN激活促进植物免疫的机制

在高等植物中，蔗糖合成酶(Sus)和蔗糖转化酶(INV)是将蔗糖分解为己糖的两类酶，目前INV介导的植物与病原体相互作用的调控主要是关于CWINs。CWIN活性在病原体感染时被诱导或增强。在病原体攻击下，植物对糖的需求增加，以触发和维持防御反应，在感染组织中发现的糖水平的增加在很大程度上归因于CWIN活性的诱导，这增强了感染组织的汇强度。可溶性糖的积累可能增强感染部位的局部防御。此外，CWIN衍生的己糖可能通过信号通路激活防御反应。有研究表明，一些位于PM(plasma membranes)上的未知糖受体可能感知胞质己糖，从而启动植物的防御反应，但这种受体尚未确定。

CWIN在植物与病原体相互作用中的双重作用

多项研究表明，CWINs在抵御病原体方面具有积极作用。酵母INV在叶质中的表达增加了烟草对马铃薯Y病毒的抗性，包括防御相关基因和过氧化物酶活性的上调，以及胼糖体和SA的合成增强。过表达CWIN的水稻株系增加了叶片中Suc, Glc和Fru的浓度，并增强了对细菌病原体Xanthomonas oryzae pv的抗性。同样，下调CWIN会降低烟草对卵菌Phytophthora nicotianae的抗性，这是由于减少了胼质沉积、H2O2积累和超敏细胞死亡。但是在番茄中沉默了CWIN 基因LIN8，增强了番茄对Xcv的耐受性，说明了CWINs的和双重功能。结合已有研究：CWINs根据病原菌的生活方式不同，CWINs在植物防御中发挥不同的作用，植物病原体根据其生活方式可分为两类:生物营养体和坏死营养体/半生物营养体，它们分别以活的和死的植物组织为食。宿主代谢或信号传导的改变似乎对这两组病原体的抗性产生了相反的影响。例如，大麦突变体albostrians由于叶绿体发育障碍导致叶片苍白，对半营养真菌Bipolaris sorokiniana的抗性下降，但对生物营养真菌Blumeria graminis的抗性增加。CWIN增强了植物对半生物营养病原体(如卵菌P. nicotianae)细菌病原体Xoo和真菌病原体M. oryzae的抗性，但会降低宿主对生物营养病原体(包括真菌病原体P. brassicae)的抗性。

如下表：细胞壁转化酶(CWIN)在植物抵抗不同生活方式病原菌中的作用对比

一般来说，SA介导的信号通路促进植物对生物营养性病原体的抗性，而JA/ET途径增强植物对坏死性/半生物营养性病原体的抗性。SA和JA介导的防御信号通路之间存在拮抗关系，因为SA和JA对许多防御基因的表达产生相反的影响。CWIN与SA负相互作用，但与JA正相互作用。例如，在玉米突变体中，CWIN活性的丧失，与野生型玉米相比，SA水平增加了10倍。另一方面，CWIN基因LIN5的沉默导致番茄中JA水平的降低。SA和JA对CWIN的不同反应解释了CWIN对不同生活方式的病原菌产生不同抗性的原因。CWIN可能通过抑制SA信号通路降低植物对生物营养性病原体的抗性，但通过激活JA信号通路增加植物对坏死性/半生物营养性病原体的抗性。然而，迄今为止，关于CWIN在植物-病原体相互作用中的作用的研究还没有报道SA和JA水平的潜在变化，未来还需要在植物-病原体相互作用过程中对CWIN-SA/JA假说进行实验验证。

其次，CWIN可能通过影响程序性细胞死亡(PCD)的发生率间接影响植物-病原体的相互作用。作为防御反应的一部分，PCD通常在植物与病原体的相互作用中被诱导。PCD通过阻止生物营养性病原体的活细胞定殖而损害其发展，但有利于坏死性/半生物营养性病原体的发展。因此，提出通过CWIN抑制PCD，可分别有利于生物营养性病原体侵染和阻断坏死性/半生物营养性病原体感染。

如下图：CWIN和STP差异调节植物对不同病原体抗性的假设模型。植物CWINs抑制程序性细胞死亡(PCD)和水杨酸(SA)信号传导，同时促进茉莉酸(JA)信号传导，这些共同促进了植物对生物营养性病原体的易感性，但增加了植物对坏死性/半生物营养性病原体的抗性。在应对病毒感染时，CWINs和糖转运蛋白(SWEETS、STPs和SUTs)增强了对病毒的抵抗力，其机制可能是通过调节胞间连丝(PD)周围胼胝质的沉积来抑制PD的形成或开放。

SWEET 是植物-病原体相互作用中的易感因素还是抗性因素

关于SWEETs在植物-病原体相互作用中的早期证据主要来自对水稻Clade III成员的研究。半营养细菌病原体Xoo PXO99A通过将分泌效应子直接结合到SWEET基因的启动子上，捕获并诱导了水稻中OsSWEET11和OsSWEET14的表达，这促进了Suc外排到胞浆中被病原体摄取，从而提高了Xoo的毒力。在拟南芥中，AtSWEET11和AtSWEET12在被真菌半生物营养的higginsianum炭疽杆菌感染时，sweet11/sweet12双突变体显示出对这种病原体的抗性增加，除此之外，AtSWEET4可能通过促进病原体从宿主细胞获取己糖而有利于真菌的生长。一些sweet也可以作为抗性基因。在拟南芥中，AtSWEET2突变导致对根腐性病原体的易感性增加，因为AtSWEET2负责将葡萄糖隔离到液泡中。植物通常通过细胞壁化学物质的沉积来加强细胞壁对病原体感染的防御，关于SWEETs在植物-病原体相互作用中的研究主要是针对半生物营养菌/坏死营养菌进行的，对于SWEETs在应对生物营养菌感染时的潜在作用知之甚少。此外，报道的研究大多是针对Clade III SWEETs进行的，而涉及到的信息要少得多在致病性上来自其他分支的糖。

如下图: SWEETs在防御中的作用与病原微生物吸收营养的方式的关系

STPs在植物与病原体相互作用中的作用

在大多数情况下，植物组织的感染区域会积累可溶性糖。然而，病原体诱导的CWINs和SWEETs的表达通常不伴有胞质糖含量的增加, STP被上调，从而将非质粒糖回收回宿主细胞。目前已知的STP都是pm定位的Ht/己糖共转运体，它们促进能量依赖的己糖进入植物细胞。将细菌鞭毛蛋白flg22肽诱导的Glc在野生型拟南芥和stp1stp13双突变体叶片中的胞质浓度进行比较，发现双突变体中Glc浓度更高，且对细菌Pst DC3000的易感性也更强，说明STP在降低胞质糖水平和赋予病原体抗性方面发挥了作用。此外，AtSTP13的过表达增强了拟南芥对坏死性营养病原的抗性。然而，STPs在防御生物营养真菌方面发挥负面作用，来自小麦的STP13同源物的两个氨基酸(Arg144Gly和Leu387Val)突变而来的蛋白质，它在酵母细胞中丧失了Glc摄取活性，表达Lr67res的小麦品系对包括小麦叶锈病、小麦条锈病和小麦秆锈病在内的生物营养真菌和白粉病病菌均表现出广谱抗性。这种抗性可能是由于叶片中质中Glc积累增加了糖信号，从而触发了植物的防御反应，同样，在小麦中敲低另一个STP成员tasp6可以增加小麦对锈病病原体P. striiformis的抗性，而在拟南芥中异位表达tasp6可以增加植物对白粉病的敏感性。总体而言，植物STPs在感染期间一般会促进生物营养真菌的增殖。

如下图：植物糖转运蛋白在应对病原体感染中的不同作用以及微生物INV和糖转运蛋白在植物-病原体相互作用中的参与的一个示意图模型。Clade II和III SWEETs分别将Glc和Suc输出到植物的细胞质中。在初始感染阶段，Glc通过自身的浆膜己糖转运体(HXT)被细菌和坏死/半生物营养真菌直接摄取，而Suc则首先被植物CWIN或病原体分泌的INV水解为Glc和Fru，然后被输入病原体细胞。因此，这些SWEETs促进细菌和坏死性/半生物性真菌在细胞质中的生长。相比之下，Clade I SWEETs可以将胞质Glc隔离到植物细胞空泡中，从而减少细胞质中Glc的可用性，从而使坏死营养真菌缺营养。植物STPs可促进己糖被植物细胞摄取，并通过真菌HXT释放到吸器外基质(EHMx)中，被生物营养真菌摄取，从而促进真菌感染。另一方面，STPs降低了Glc在细胞质中的浓度，从而抑制了细菌和坏死性/半营养性真菌的发展。植物SUTs通常由病原体感染诱导进入植物细胞。对菌根真菌的研究表明，SUT (i)可以通过增加细胞内的糖库来促进生物营养真菌的发育，从而将糖导入EHMx并被诸如UmStrt1等Suc转运蛋白摄取;(ii)可以通过限制Suc在植物细胞胞浆中的可用性来抑制细菌和坏死性/半生物营养真菌的发育。

己糖运输STPs在防御中的作用取决于病原微生物获取营养的方式：

SUTs参与植物与病原体的相互作用

SUT像STPs一样，通过调节宿主胞质中Suc的可用性来调节植物-病原体的相互作用，而糖转运体在防御中的作用取决于病原体获取糖的方式，植物糖输入(STPs和Clade I SWEETs)和输出(Clade II和III SWEETs)分别作为抗性和易感因素，在细菌和坏死性/半营养真菌感染期间，通过相应减少或增加细胞质中糖的可获得性。与致病菌和坏死性/半营养真菌不同，生物营养真菌如白粉病、铁锈真菌、玉米黑穗病菌黑穗病菌不是从宿主细胞的胞质中获得糖，而是通过吸器从一种名为吸器外基质(EHMx)的专门胞质中获得糖，糖必须首先转运到宿主细胞中，然后释放到EHMx中供病原体摄取。在这种情况下，植物pm定位的糖输入器(STPs)可能作为生物营养真菌的易感因素，通过促进糖在感染的宿主细胞内空间的积累，随后糖被输出到EHMx以供病原体摄入。这解释了为什么STPs作为细菌和坏死/半生物营养真菌的抗性因子。而是作为生物营养真菌感染的易感因素。总的来说，糖转运体在在病原体和宿主细胞之间的糖分配，取决于它们的细胞位置。如果它们帮助病原体获得糖营养，这些糖转运体就会成为易感因素。否则，它们会增加阻力。

糖介导的植物对病毒感染的反应

植物对病毒感染的反应既表现出植物-细菌和植物-真菌相互作用的相似性，也表现出某些差异。病毒在宿主细胞的细胞质内复制，并通过胞质连丝(PD) -胞间和膜内的细胞质通道在细胞间传播，CWIN和STP必须采用不同的机制来介导对病毒的抗性，一些研究表明，PD的开放(symplasmic途径)和糖转运蛋白的表达/活性之间呈负相关。例如，在单细胞棉花纤维中，当PD在纤维延伸的早期开放时，GhSUTs和Clade III GhSWEETs的表达很少或没有，而当PD在纤维延伸的晚期关闭时，这些转运蛋白的表达增加。此外，胼胝体诱导的PD关闭导致GhSUTs和Clade III GhSWEETs的表达增加，CWIN活性与PD门控呈负相关，这与不同时期CWIN活性的高低和高有关。酵母INV在烟草细胞质中异位表达，导致成熟叶片中PD发育停滞。因此，CWIN和STP的高表达可能通过破坏PD的发育或功能来阻断病毒感染，这可以解释为什么CWIN和STP在植物对病毒的抗性中发挥正作用，而不是负作用。CWIN或STP介导的PD对病毒感染应答的分子基础可能是增强CWIN和STP活性可以产生更多的Glc用于胼胝质的沉积，从而阻断PD孔径，从而阻止病毒的细胞间传播。

微生物INV和糖转运体的作用

植物-病原体相互作用的最终结果是由双方因素决定的，但目前关于糖在应对病原体攻击中的作用的研究多集中在宿主身上，很少关注病原体如何调控自身的糖摄取和代谢系统，从而赢得与宿主争夺糖资源的“拔河”。大多数病原体以己糖(主要是Glc)而不是Suc的形式从宿主细胞质中吸收糖。为了便于利用sweet输出的Suc，许多病原微生物分泌INV进入宿主细胞壁，将Suc水解为己糖，然后病原体通过自身的己糖转运体(HXTs)摄取己糖。条纹假单胞菌在入侵小麦的过程中分泌大量的INV (PsINV)到宿主的胞质中，而沉默PsINV基因可以抑制真菌的生长，从而降低其毒力。在某些情况下，在感染的植物组织中诱导的细胞外INV活性完全归因于坏死性营养真菌而不是宿主植物。细菌从宿主获得糖的方式与真菌有很大的不同。在入侵宿主植物过程中，例如在Dickeya dadantii和拟南芥，以及黄单胞菌axonopodis和大豆的相互作用中，细菌INVs和糖转运蛋白没有被诱导，致病菌获取糖的途径可能不是通过改变自身的Suc降解和糖转运系统，而是通过修饰或劫持宿主细胞的对应细胞。例如，致病菌Xcv通过分泌T3SS-dependent effector (XopB)来阻断宿主CWIN的诱导，增强其毒力。很少有病原体可以直接吸收和利用Suc作为其主要C源，而不需要植物和/或微生物的INV将Suc降解为己糖。在玉米中引起玉米黑穗病的生物营养真菌U. maydis表达了一种sucs特异性糖转运蛋白UmSrt1, UmSrt1是PM定位的，只有在成功入侵玉米组织后才表达。UmSrt1对Suc的亲和力高于玉米Suc转运蛋白ZmSUT1，可能在争夺有限的细胞间Suc的战斗中超过ZmSUT1 ，敲除UmSrt1显著降低了玉米曲霉菌的毒力，表明该真菌蛋白在玉米曲霉菌中的核心作用，但对于可以利用Suc的病原体来说，这一步骤绕过了Suc的水解，可以阻止植物防御反应的激活，因为触发植物防御反应的通常是己糖，而不是Suc。在这种情况下，操纵宿主的CWIN活动可能通过调节胞质内的Suc和己糖的可用性来不同地影响病原体的增殖。

结论

CWIN、SWEET和STP对植物-微生物相互作用的具体调控由所涉及的特定病理系统决定。CWIN在宿主对病原体攻击的防御反应中起重要的作用，依赖于致病真菌和细菌的生活方式。同样，SWEET/ stp介导的植物-病原体相互作用的性质也因细胞位点而异，病原体从中获得糖营养。此外，CWIN和SWEET/STP部分通过影响PD的形成来调节植物对病毒传播的防御或孔径。最后，微生物CWINs和糖转运蛋白在致病性中起着重要作用，它们对于全面理解糖调节的植物-病原体相互作用非常重要。