微生物和线虫之间的战争

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杀线虫微生物是指能够侵染、捕捉和毒杀线虫的一类微生物类群，是自然界中线虫种群控制的重要因子，也是生物防治病原线虫的重要研究材料。微生物能够通过产生捕食器官、寄生和产生毒素等不同方式侵染线虫，而线虫也可以通过丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号等途径参与对病原微生物的天然免疫；微生物与线虫之间的相互作用就像是一场没有硝烟的战争。目前人们对二者相互作用机制的理解还不够深入，开发的微生物杀线虫剂的作用有限。

为了更好地利用微生物来防治线虫，云南大学的研究团队以秀丽隐杆线虫、孢囊线虫和根结线虫为对象，对线虫、微生物（及作物）之间的相互作用机制展开了研究，系统地揭示了侵染和应答过程中新的作用分子机制及调控机理，阐明了其中关键蛋白质结构与功能的相关性，为研发环境友好型的高效线虫生防制剂提供了理论支撑。 

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在以上几类食线虫真菌中，人们对捕食线虫真菌的研究开展得最深入，目前已经有100多年的研究历史，研究主要集中在其捕食器官的类型和分化等反面；而对捕食器官形成的分子调控机制的研究则是从近10年才开始的。2011年，研究团队测定了首个食线虫真菌寡孢节丛孢的基因组序列，并提出了寡孢节丛孢捕器形成的基因调控模式。寡孢节丛孢能识别线虫，并通过信号转导系统把胞外信号传递到胞内，进一步激活下游的生物学过程。在基因组测序的基础上，研究团队发现苹果酸合成酶是乙醛酸循环的关键酶，把寡孢节丛孢基因组中的苹果酸合成酶编码基因敲除以后，突变株的捕器形成延迟，只能形成一个环和两个环的捕器，突变株的捕食线虫能力也出现了明显的下降。最近，研究团队在参与硝酸盐代谢的4个基因的敲除实验中发现，硝酸盐代谢途径也参与寡孢节丛孢捕器产生的基因调控；前期的研究发现，线虫等多种诱导剂都能诱导真菌产生捕器，这些诱导剂可能通过不同的方式调控真菌捕器的形成，同时G蛋白信号通路可能在捕器形成的过程中发挥了重要的作用。

除了收缩环，其他捕食器官的表面都有一层粘附性物质，Mad1是其中的主要成分。研究团队从产生不同类型捕器的捕食线虫真菌中克隆得到Mad1同源的基因，构建了系统发育树，结果表明捕食线虫真菌按照捕食器官的种类进行聚类，并且非粘性的捕食器官收缩环最先分化，随后粘性的捕食器官进化形成两个姊妹分支，产生三维菌网的真菌与产生粘性分支的真菌显示出较近的亲缘关系，并提示三维菌网可能由粘性分支进化而来；在另一分支中，产生粘球及非收缩环的真菌最先分歧，紧接着是产生粘球的真菌。对每种类型捕食器官的祖先分支进行的适应性进化分析显示，Mad1基因在捕食器官的进化过程中受到了正选择压力的影响。在经典的支-位点模型检测中，除了代表粘球和非收缩环的分支没有检测到正选择外，其他的分支，包括不具有粘性的收缩环一支都检测到了正选择压力。此外，在每个受到选择压力的分支上，还发现了许多潜在的正选择氨基酸位点，为进一步理解捕器和捕食线虫真菌的进化提供了良好的实验支持。

真菌能够产生丰富的次生代谢产物，一些次生代谢产物能够麻痹和毒杀线虫，根据研究团队的发现，部分代谢产物能够调控菌丝的发育和捕器的形成。寡孢节丛孢基因组中分别含有5个聚酮合酶（PKS）和7个非核糖体多肽合成酶（NRPS），它们均参与次生代谢产物的合成。1995年，有研究人员从寡孢节丛孢中鉴定了寡孢素类型的代谢产物，并报道了它们的杀线虫活性；最近，研究团队又从中分离得到了3个寡孢素类型的化合物，分别命名为寡孢素A～C；进一步的研究发现，以上3种化合物参与寡孢节丛孢的形态学转变，都能抑制真菌产生分生孢子，同时寡孢素A能促进真菌菌网的形成，而寡孢素C则抑制真菌菌网的形成。敲除了寡孢节丛孢中一个PKS基因后，发现突变菌株产生的寡孢素C减少了，同时与野生菌株相比，突变株的捕器数量和杀线虫活性分别提高了10倍和2倍。这些研究说明食线虫真菌侵染和毒杀线虫的方式是多样的，通过捕器捕捉、机械穿透和毒素的有机结合，能更好地发挥真菌的杀线虫效率。 

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群体感应系统（QS）作为单细胞细菌之间进行交流的重要方式，在杀线虫芽孢杆菌B16侵染线虫过程中也承担着难以替代的角色。为进一步研究群体感应系统对杀线虫芽孢杆菌B16致病性的影响，研究团队确定了挥发性物质2-庚酮合成的关键酶yneP在杀线虫芽孢杆菌B16中的编码基因，并揭示了杀线虫芽孢杆菌B16的致病性与群体感应系统系统ComP/ComA的关系。另外，研究团队还对线虫感知杀线虫芽孢杆菌B16产生的吲哚和2-乙基己醇的嗅觉信号途径进行了研究，并确定了线虫感知吲哚和2-乙基己醇的嗅觉信号转导途径中的其他蛋白（见图1）。

图1 秀丽隐杆线虫感知吲哚（A）

和2-乙基己醇（B）的信号途径

在自然环境中，细菌分泌信号物质诱导捕食线虫真菌产生捕食器官捕捉线虫，以利于维持自己的物种种群生存，但相关的信号分子和调控机制尚未明确。研究团队发现，细菌可以动员捕食线虫真菌捕杀线虫。实验证明，部分细菌的代谢产物具有诱导寡孢节丛孢产生三维菌网的能力，其诱导化合物是尿素；细菌在线虫的胁迫下，会上调精氨酸裂解酶而快速产生尿素；而氨气是诱导捕食器官形成的信号分子（见图2）。在此研究过程中，研究团队做出了开创性的发现：自然界中存在大量的细菌，它们使用一种常见的化合物作为信号分子动员线虫的天敌，利用捕食线虫真菌捕杀线虫，从而极大地减轻了细菌面临的捕食压力。 

图2 土壤细菌和线虫诱导捕食线虫

真菌形成捕器的调控模式

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图3 秀丽隐杆线虫应答真菌侵染

和物理损伤的信号途径

此外，细菌等病原在侵染线虫等宿主的过程中可以激活自噬，为了明确自噬的作用，研究团队进行了进一步研究，揭示了一个有趣的结论：自噬在抵抗胞外细菌中的作用并非消灭和减少这些细菌，而是通过抑制细菌侵染所带来的损伤，增加线虫对细菌侵染的耐受性。在线虫中，主要的免疫通路p38丝裂原激活蛋白激酶信号途径是通过上调一些抗菌肽来抵抗细菌侵染的，而研究团队发现细胞外调节蛋白激酶（ERK）信号途径通过促进自噬来保护宿主免受损伤。通过对ERK丝裂原激活蛋白激酶参与线虫天然免疫的底物进行筛选，发现AA-ATPases家族蛋白CDC-48.2参与了ERK丝裂原激活蛋白激酶所介导的自噬，并且CDC48.2蛋白Thr669位点的磷酸化是自噬所必需的（见图4）。长期以来，一条免疫通路失活而其他通路仍然存在，而且宿主的免疫力会降低，这一现象一直让人感到迷惑不解。研究团队为这个现象提供了很好的解释，即天然免疫信号通路在抵抗病原微生物侵染时发挥着不同作用。

图4 自噬参与线虫对抗细菌

侵染的免疫机制

未折叠蛋白（UPR）在天然免疫和炎症中发挥重要的作用，内质网中未折叠蛋白大量累积会引起内质网应激。为了了解免疫反应中未折叠蛋白活化的分子机制，研究团队进行了小RNA深度测序和反向遗传学分析，发现经典天然免疫途径p38丝裂原激活蛋白激酶信号也可以通过调控线虫小RNA（miR-233）的表达抑制其靶蛋白——内质网钙泵干细胞抗原1的翻译，从而启动未折叠蛋白反应途径，介导线虫抵抗病原细菌侵染。研究团队极大地拓宽了人们对于线虫防御微生物侵染的免疫机制的认知，鉴定了线虫参与天然免疫的多个新基因及相关的信号调控途径，为病原线虫的防治提供了重要的靶点信息。 

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图5 “线虫佰控丹”和

其他杀线虫产品防治病害比较

尽管微生物和线虫之间的战争已经存在了2亿多年，但人们对它们的作用机制的认识才刚刚开始。微生物与线虫互作机制研究中的一些重要问题还有待深入研究，如食线虫真菌生活史转变的分子机制、不同真菌捕食器官形成的共性和个性机制以及线虫防御微生物侵染新机制之间的协同作用等。在未来的研究中，研究团队将继续加大对微生物与线虫互作机制中一些生物学和生态学问题的认识和思考，同时加强将理论研究转化为产品技术的探索，让这场战争的结果走向有益于环境和人类健康的方向。 

致谢：感谢国家973计划项目“农作物重要病原线虫生物防控的基础研究”（项目编号：2013CB127500）的支持。 

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