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国家973计划项目“微生物群体感应通讯系统与病害防控基础研究”取得重大突破——华南农业大学群体微生物研究中心张炼辉教授项目成果
2020-12-03
微生物群体感应通讯是近年来微生物学领域的重大发现之一。其核心内容是以单细胞形式存在的微生物个体通过产生和感应小分子化学信号进行广泛的信息交流，从而以群体形式对寄主和外部环境做出协同反应，包括建立侵染和产生抗生素等。该系统的发现为明确病原菌致病调控机理和发展新的病害防控策略提供了一个全新的切入点。华南农业大学张炼辉教授证明阻断群体感应通讯（即“群体淬灭”）拥有防控病害的广阔应用前景。以此为基础，张炼辉教授作为项目首席科学家联合广西大学、南京农业大学、山东大学、中国科学院微生物研究所、中国农业科学院饲料研究所、河北省科学院微生物研究所、浙江大学承担了国家973计划项目“微生物群体感应通讯系统与病害防控基础研究”（项目编号：2015CB150600）。目前，该项目已经顺利结题验收。
该项目从细菌、真菌和跨界通讯三个层面深入研究小分子化学通讯系统在致病基因表达、病原-寄主互作过程和活性次级代谢产物生物合成中的功能和分子调控机理，阐明微生物群体感应通讯全方位调控模型，在微生物通讯前沿科学领域取得一系列原创性突破，为动植物病害防控奠定新的理论和应用基础。对研发创制针对微生物通讯系统的无毒低毒环境友好的新型农兽药剂作出创新性贡献，大幅提升我国在微生物群体感应和化学通讯新兴领域的研究水平和国际竞争力，为国家粮食安全、食品安全和环境安全的战略实施开辟新的理论与应用体系。
1 新型群体感应通讯系统的功能和机制
以关键化学通信系统未明的病原细菌为目标，建立高效和可靠的信号报告基因系统，分离鉴定在致病过程中起关键调控作用的新型群体感应通讯信号及其他化学信号，并明确其所控制的基因谱及其在致病过程中的作用，阐明信号的合成途径，并将进一步寻找和确定信号受体蛋白及信号传递通路。
狄基氏属（Dickeya spp.）病原菌引起的细菌性软腐病的流行爆发在世界范围引起了广泛的关注。 D.zeae引起的水稻基腐病和香蕉软腐病近年来频频发生；D. solani 引起的马铃薯细菌性软腐病最近几年已导致欧洲国家、以色列和美国马铃薯产量的大幅减少。这些问题突显了对该属细菌致病机理和相关调控系统进行深入研究的重要性和必要性，世界多个国家相继开展了对狄基氏属病原菌的研究。
华南农业大学张炼辉研究团队在国家973计划项目的支持下，完成了水稻基腐菌的全基因组测序，证明了水稻基腐菌所产生的植物毒素玉米胺及病原菌的游动能力是关键致病因子，不产生玉米胺或者失去游动能力的突变体均失去对水稻的致病力；明确了新型群体感应系统Vfm是关键致病因子玉米胺合成酶基因表达的关键调控机制（图1）；并发现水稻基腐菌和寄主水稻产生的腐胺信号均参与调控病原菌游动能力，率先证明腐胺既是群体感应信号又是寄主-病原跨界通讯信号；同时还发现水稻基腐菌产生3个玉米胺衍生物，其中玉米胺II是一个高效的群体感应信号，调控病原菌合成玉米胺的产量及其对玉米胺的耐受性。研究结果证明了水稻基腐菌的致病力受Vfm、腐胺和玉米胺II通讯系统的综合调控，系统地阐明了该病原菌的致病机理和调控机理，为研发新型病害防控技术奠定了坚实的基础。
2 病原微生物与寄主信号跨界交流及其交互调控机制
以肆虐重要经济作物的病原微生物为研究对象，研究寄主和病原微生物化学信号分子对彼此的生理生化功能，尤其对致病过程的影响；分离和鉴定关键化学信号分子，明确化学信号的受体蛋白及信号通路，并利用基因芯片、转录组学技术及遗传学方法研究信号的调控网络，发展新型病害防控策略的理论基础。
近年来，微生物领域重要的发现是明确了病原微生物需要表达多达数百个致病相关基因，形成致病力侵染寄主。而且，致病基因的表达是有条件的，需要特定的信号诱导表达。微生物通过产生和感受不同的化学通讯信号编程致病基因的表达，微生物群体感应和病原-寄主跨界通讯是编程病原菌致病力的重要分子机制；但致病基因的表达是一个能量消耗巨大的过程，病原菌在侵染成功后如何重新编程致病力以减少能耗及适应新的生存环境尚不明确。张炼辉教授团队发现，根癌农杆菌的致病基因仅在侵染早期表达，建立对寄主植物的侵染后，病原菌利用植物伤口产生积累的蔗糖分子去除负调控因子SghR的抑制作用，诱导水杨酸络合物水解酶SghA的表达，降解寄主体内的水杨酸络合物SAG，产生过量的水杨酸SA抑制致病基因的表达，从而实现在侵染成功后对致病力重编程，完成病原菌从侵染到定殖生长的及时转变（图2）。III型分泌系统（T3SS）是革兰氏阴性菌在侵染早期表达的关键致病因子，张炼辉教授团队发现铜绿假单胞菌在生长后期产生小分子信号苯乙酸抑制T3SS的表达，实现从急性侵染模式至慢性侵染模式的转换。对根癌农杆菌和铜绿假单胞菌的研究表明病原菌利用化学通讯信号对致病力重编程是一个普遍存在的现象。张炼辉教授团队据此筛选得到了系列有效抑制水稻白叶枯菌、水稻细菌性条斑病菌和甘蓝黑腐菌T3SS的苯乙酸衍生物，取得了很好的病害防控效果（图3）。
3 新型微生物群体感应淬灭体系
针对在致病过程中起关键调控作用的群体感应通讯系统，筛选和克隆新型群体感应通讯信号降解酶基因，明确信号降解酶的作用机理，并根据信号受体的结构特征发展干扰阻断群体信号传导的抑制因子，建立体内和体外模型以确定新型群体淬灭体系的功效，为创新发展安全高效绿色农药和新型生防技术进行前期探索。
细菌性病害频发严重威胁农作物生产及养殖动物和人类的健康，造成重大经济损失。抗毒力治疗策略可通过干预细菌的致病能力而非直接杀死细菌来达到治疗效果，对解决医药和农牧渔业中日趋严重的病原菌耐药性、药物残留与环境污染等问题具有重大意义。该项目提出了生物被膜耐药的进化假说，提示生物被膜是抗生素筛选的重要靶标，靶向微生物生物被膜和调控生物被膜的群体感应，创制了生物被膜高效降解酶PslG和具有整体竞争力优势的群体淬灭酶AiiA-AIO6。山东大学谷立川教授团队创新性地从铜绿假单胞菌生物膜胞外多糖Psl的合成途径入手，率先发现和解析了Psl合成途径中糖苷水解酶PslG的晶体结构，纳摩尔浓度的PslG可在半小时内将生物被膜降低90%以上，是目前发现的较高效的瓦解生物被膜的降解酶，解决了耐药性生物被膜感染防治难这一世界性难题。中国农业科学院饲料研究所周志刚研究员团队开发的淬灭酶AIO6集高比活力、高表达、热稳定性、抗逆性及广底物谱特性于一身，能有效提高水产和畜禽动物对病原菌的抵抗力，具有生产、加工及应用整体竞争优势，解决了现有技术发现的淬灭酶存在抗逆性、热稳定性、活力、异源表达量、底物谱单方面或多方面的短板进而影响淬灭酶产业化的技术难题，成为优先获得安全许可并进入产业化应用的抗毒力群体淬灭酶，是群体淬灭剂从研发迈向产业化的一个新的里程碑。该成果作为一种水产健康养殖关键生物制剂获得产业界和学术界高度认可。AiiA-AIO6 于2010年进入产业化实施，2013年，项目组与北京挑战生物技术有限公司签订了技术转让合同。2016年，AiiA-AIO6获批转基因生物安全证书，这是群体淬灭剂从研发迈向产业化的关键里程碑，进一步群体淬灭酶因创新型强、对推进无抗防控有积极促进作用获福建省科学技术奖技术发明二等奖（2018年）、大北农科技成果奖一等奖（2015年）及中国水产行业科技创新奖一等奖（2015年）。近年来，项目组联合优势企业推广制剂产品（含配伍产品）1.39万吨，累计生产配合饲料1 388.35万吨，约占我国近7年水产饲料总产量的10.08%，应用池塘面积1 232.64万亩，辐射我国水产养殖主产区，降低抗生素及化学药剂使用量超过50%。
专家简介
张炼辉，国家973计划项目首席科学家，国家学位委员会第七届学科评议组成员、国家重点人才工程教授、广东省领军人才、2005年度新加坡 “国家科学奖”得主，2017年当选为美国微生物科学院院士（American Academy of Microbiology Fellow），群体感应领域的奠基者之一，群体淬灭防治植物病害新理论的建立者。2013年协调华南农业大学校内多个单位组建广东省微生物信号与作物病害防控重点实验室；同年协助引进广东省群体微生物基础理论与前沿技术创新团队；2016年组建了华南农业大学二级科研机构——群体微生物研究中心。
