《植物病原体预测工具》

  • 来源专题:农业科技前沿与政策咨询快报
  • 编译者: 田儒雅
  • 发布时间:2017-11-28
  • 西班牙马德里理工大学(Universidad Politécnica de Madrid, UPM)与西班牙国家农业与食品技术研究院(Instituto Nacional de Investigación y TecnologíaAgraria y Alimentaria, INIA)的联合机构——植物生物技术与基因组研究中心(Centre for Plant Biotechnology and Genomics, CBGP, UPM-INIA)的一个研究团队,研发出了能够自动识别致病因素的计算工具。这一在线工具提供了即时可用的与细菌相关的“武器”目录。研究人员利用这些数据,制作了一个预测程序,以分辨致病菌基因组和非致病菌基因组,正确率超过90%。

    近年来新出现了一些与植物消费有关的细菌性疾病——比如2011年德国大肠杆菌病毒疫情的爆发。因此有必要找到一种方法,从某细菌的基因组数据来预测这种细菌什么时候开始爆发。不管好坏,细菌主导着这个世界;不过总的来说,主要是好的方面。绝大多数细菌是无害细菌,或者说是有益菌;没有这些细菌,地球上的生命不可能存在。然而,能感染其他生物、引起疾病的细菌种群数目正在减少。植物病原菌给作物种植带来了巨大损失;再者,一些人类病原体在其生命周期的某些阶段与植物有关。

    细菌感染其他生物需要什么条件呢?过去,微生物学家要回答这个问题,就需对特定细菌基因进行灭活处理、然后测量其感染性。这一方法非常有效,但仍有缺陷,因为它虽然让微生物学家识别了大量机制,却无法提供一种通用方法。基因组计算法可以在短时间内提供大量致病菌和非致病菌的基因组排序,可以让研究人员以一种新的方式来解决这个问题:细菌要感染植物,必须包含什么基因组?

    为了找到这个问题的答案,CBGP(UPM-INIA)的研究人员开发了一个叫做“植物-细菌交互因素资源库”(Plant-bacteria Interaction Factors Resource, PIFAR)的工具。PIFAR内包含一个与植物-细菌交互作用相关的公共细菌遗传定子库。这一工具可以预测植物与细菌之间的交互作用,其中一些交互作用是已知的,还有一些是未知的。例如,阪崎肠杆菌包含一些食源性致病菌(条件致病菌),这些细菌会导致新生儿和婴儿感染严重疾病,也可以感染植物。这一模型能够非常准确地识别出与植物有关的细菌——在识别阪崎肠杆菌株方面尤其准确。而阪崎肠杆菌是高致命性细菌,因此识别此菌种意义重大。

    本研究参与者之一巴勃罗·罗德里格斯·帕伦苏埃拉(Pablo RodríguezPalenzuela)表示:“基因组学方面的进步可以让我们很容易地获得各细菌种群的全基因组序列——甚至在研究细菌的生命周期之前就可以做到这一点。”这一工具可以预测新爆发疾病中的某种细菌是否来源于植物;而这将有助于流行病学家控制这些疾病的爆发。

    (编译 田儒雅)

相关报告
  • 《Science | 一类新的植物-病原体互作模式及其机制》

    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:李康音
    • 发布时间:2024-02-20
    • 2024年2月16日,清华大学/西湖大学柴继杰教授团队、南京农业大学王源超教授团队与合作者在Science上发表了题为A plant mechanism of hijacking pathogen virulence factors to trigger innate immunity的研究论文,揭示了植物通过劫持病原体细胞壁降解酶的活性来促进植物免疫的全新分子机制。 果胶多聚半乳糖醛酸水解酶(polygalacturonase, PG)在多种植物病原体(细菌、真菌、卵菌、线虫和昆虫)中均有发现。PG是病原体入侵植物过程中最早分泌的细胞壁降解酶之一,它对病原体的致病性必不可少。PG可以将果胶多聚半乳糖醛酸(polygalacturonic acid, PGA)水解成低聚半乳糖醛酸(oligogalacturonic acid, OG)。植物通过分泌PG抑制蛋白(PG-inhibiting protein, PGIP)来抑制PG酶活性。PGIP是仅含有胞外亮氨酸重复(LRR)结构域的蛋白,在所有高等植物基因组中均有编码。 该研究首次解析了分辨率为1.93?菜豆PGIP (PvPGIP2)与镰刀菌PG (FpPG) 复合物结构。出乎意料的是,与之前所有报道的相关复合物结构不同,PvPGIP2并未结合在FpPG的酶活中心处,这表明PvPGIP2有不同的FpPG抑制机制。 体外酶活实验与植物功能实验表明:PvPGIP2-FpPG水解PGA的OG产物中含有比例较大的长链OG (OG10-15),其作为免疫激活子可诱导植物PTI响应;而FpPG水解PGA的产物中含有比例较大的短链OG (OG2-7),几乎不含有长链OG10-15。OG2-7可以有效地抑制PTI响应。因此,PvPGIP2巧妙地利用了病原体FpPG的酶活性,通过改变病原体FpPG酶活产物的分布,从而激活植物PTI响应。 研究人员进一步揭示了PGIP-PG生成长链OG10-15的分子机制:PvPGIP2与FpPG结合后形成了一个全新的、更长的底物OG结合口袋,PvPGIP2增强了底物OG与FpPG的结合能力。PvPGIP2-FpPG是一个全新的多聚半乳糖醛酸水解酶,它与FpPG具有不同的底物选择性和催化活性。以解析的高分辨率PvPGIP2-FpPG复合物结构为基础,研究者对PGIP进行了工程化改造。结果表明,改造后的PGIP具有了产生更多OG10-15的能力,并且能够使得改造后的PGIP获得新的PG识别功能。 综上所述,该研究揭示了PGIP-PG介导植物免疫的分子机制。目前已有很多证据表明病原体利用效应蛋白劫持宿主体内信号通路、抑制植物免疫以促进其侵染宿主。该研究显示植物可以利用类似的机制,反向劫持病原体效应蛋白,从而激活植物免疫。该研究为植物与病原体互作领域提供了一个全新的研究范式,也为植物抗病育种提供了新的策略。同时,该项研究也为研究动物与病原体互作提供了思路。
  • 《植物智能手环》

    • 来源专题:农业立体污染防治
    • 编译者:金慧敏
    • 发布时间:2016-07-27
    • 植物育种家们通过劳动播种来测试他们的实验。他们比较两种有理想的性状不同植物。他们种下收获的种子并评估结果,希望找到一个选品种,比目前可用的任何东西都更好。 “实验室”往往是一个有成千上万种植物的户外场地。农民已经监测了他们的田地几千年,简单地沿着一排排的作物走动,观察随着时间的变化,指出哪些植物做得更好。 但是,随着植物育种技术变得更加复杂,农民和科学家们需要特定的数据。他们想知道到底有多高的植物,或者到底是何种绿色的叶子。在一个大的测试领域,得到确切的数字意味着一个种植者数小时甚至数天的劳动。知道植物有什么物理特性称为表型。因为它是一个劳动密集型的工作,所以科学家们正致力于开发技术,使分析更加容易。 该工具被称为phenocart,它能抓住植物必需的健康数据。Phenocart测量了植物生命体征如生长速度和颜色。数万的phenocart野外实验是评估植物健康的快速方法。它也可以帮助植物育种者设计更大的实验。phenocart是传感器收集器。传感器连接到一个自行车轮子和把手,可以很容易地行走在植物育种样地中,当它被推走在样地中,phenocart可以迅速收集数据。科学家可以安装不同传感器在phenocart上,这取决于他们需要的措施。堪萨斯州立大学的植物病理学和农学系的助理教授波兰和他的同事使用一个传感器来测量他们的植物是如何“绿色”的。 该项目团队还用一个温度计来检查叶温。叶温对作物产量也是一个很好的预测。全球定位系统定位准确,phenocart测量,有助于团队组织数据。数据处理软件包括在phenocart内。研究小组还专注于使该技术让更广泛的群体负担得起。 随着植物育种变得越来越复杂,测量大田实验的结果也变得越来越复杂了。便捷式phenocart是一种低成本的、可移动的方法,测量上千种植物健康快速准确。