圖片來源：Pixabay

來源：科研圈

看着廚房案板上還沾着水滴的青翠蔬菜，你是不是覺得它已經洗乾淨了？猛烈的水流或許可以洗去塵土、小蟲，但是最新研究發現，一些致病菌已經能夠鑽進蔬菜葉片裏，準備悄悄登上你的餐桌。

近日，特拉華大學（University of Delaware）在《微生物學前沿》（Frontiers in Microbiology）上發表的一篇論文指出，能引發腸胃炎的鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella enterica Typhimurium）已經學會了如何攻破植物葉子的防禦，藏在蔬菜的葉片裏。

該文章的通訊作者、植物生物學助理教授 Harsh Bais 說：“現在我們知道，這種人類致病菌正在嘗試做植物致病菌纔會做的事情，這真的很嚇人。”

1

說起沙門氏菌，這可不是個好惹的傢伙。在沙門氏菌屬（Salmonella）中，99% 可以感染人類或哺乳動物的細菌都屬於腸道沙門氏菌種，而它們引起的沙門氏菌感染在世界範圍內每年大約有 13 億個病例，並可以導致其中的 300 萬人死亡。而最近被發現能入侵葉片的鼠傷寒沙門氏菌是其中一種常見血清型，它所導致的傷寒每年大約有 2100 萬個病例，其中約 20 萬人死亡。

腸道沙門氏菌的電鏡照片。圖片來源：Encyclopedia Britannica

健康人的免疫系統可以在一定程度上抵禦沙門氏菌等微生物的入侵，植物也有辦法防範這樣的異類。微生物在入侵植物時所要面對的第一道防線就是植物的表皮（epidermis）。和人類皮膚上的表皮層類似，這一層堅韌的組織在防止植物體損傷、感染和過度水分蒸發上有着極其重要的作用。但爲了蒸騰作用的正常進行，這層“鎧甲”並非密不透風，它上面分佈着氣孔。這是成對的微微張開的保衛細胞，爲細菌的入侵提供了可乘之機。

不過，對於試圖從氣孔入侵的細菌，植物也準備了“化學武器”。當檢測到致病菌的小分子名片，即微生物相關分子模式（microbe-associated molecular patterns， MAMP）時，植物就會通過各種激素使氣孔閉合，這種機制稱爲氣孔防禦（stomatal defense）。在調控氣孔防禦的植物激素中，脫落酸和水楊酸可以使氣孔關閉，茉莉酸則起反作用。

細菌入侵植物氣孔示意圖。圖片來源：doi： 10.1146/annurev.phyto.121107.104959

但是，特拉華大學的最新研究發現，鼠傷寒沙門氏菌設法繞開了這些防禦機制。

2

在這篇針對該菌入侵生菜葉片的研究中，以 Nicholas Johnson 爲首的研究人員發現，鼠傷寒沙門氏菌能夠阻礙氣孔關閉：在把這種細菌或它的相關分子模式放到生菜葉片上培養 3-12 小時後，葉片氣孔雖然比對照組要小一些，但遠比添加了李斯特菌等其他致病菌的葉片氣孔要大。也就是說，雖然生菜葉片對鼠傷寒沙門氏菌產生了防禦反應，但這種反應受到了抑制。

添加不同菌種培育後的生菜氣孔大小（翻譯 賀紫宸）。圖片來源：doi： 10.3389/fmicb.2020.00500

那麼，鼠傷寒沙門氏菌到底是如何抑制植物葉片氣孔的防禦反應的呢？Johnson 等人便把目光投向了這種細菌的殺手鐧之一—— 即 III 型分泌系統（Type-III Secretion System，T3SS ）。大約在十年前，學界發現腸道沙門氏菌可以利用這個這個形似注射器的結構來向宿主的腸道細胞運輸蛋白質，方便自己進入細胞並適應其內部的環境。既然這一策略對哺乳動物如此有效，那它是否也適用於植物呢？

爲了檢驗這一假設，Johnson 等人將具有不同 T3SS 功能缺失的兩種菌株放在生菜葉上培養。這時，生菜葉的氣孔防禦不再被抑制，而是積極閉合，將鼠傷寒沙門氏菌關在門外。葉片的內部也無法檢測出這兩種菌株。實驗證明 T3SS 是鼠傷寒沙門氏菌入侵生菜葉必不可少的工具。

接下來，研究團隊決定弄清楚 T3SS 究竟是從哪裏突破了植物防禦。這次，他們把注意力轉移到可以幫助氣孔關閉的水楊酸和脫落酸上。實驗發現，即使有鼠傷寒沙門氏菌的存在，水楊酸仍然可以行使其正常的功能，使氣孔關閉，研究人員們判斷這種細菌不會干擾水楊酸的相關通路。可是脫落酸的情況就大不一樣了：在有鼠傷寒沙門氏菌的情況下，脫落酸無法向植物的氣孔通風報信，細菌得以從張開的氣孔入侵植物。研究團隊還檢驗了植物合成和運輸脫落酸的基因的表達情況，證明鼠傷寒沙門氏菌的存在確實可以降低生菜葉片和根系中這類基因的表達。

總的來說，鼠傷寒沙門氏菌可以利用 III 型分泌系統影響脫落酸的合成和運輸，阻礙氣孔關閉，從而進入生菜葉片。研究還對大腸桿菌（Escherichia coli）和李斯特菌（Listeria monocytogenes）進行了同樣的實驗，發現它們不具備這種機制，葉片會關閉氣孔，把這些細菌阻擋在外。

儘管如此，研究團隊在文章討論部分指出，許多感染人類的機會致病菌（opportunistic pathogen），即會在個體免疫功能下降時發起攻擊的致病菌，已經被證明能入侵和污染植物，儘管它們的主要目標仍然是感染人類。細菌入侵植物的機制大體上仍然不明確，這項研究只是揭示了其中一種可能。

3

本來是感染動物和人類的細菌，爲什麼要大費周章地騷擾植物界呢？發表在《植物病理學年度綜述》（Annual Review of Phytopathology）上的一篇綜述指出：“植物就是致病菌傳染動物的中間媒介。”該綜述提到，這些跨域致病菌在其生存的兩種環境中都獲得了巨大的生存優勢，通過人類等各種動物的攝食，它們可以輕易從植物上“搭便車”進入動物體內。儘管它們無法直接攝取植物細胞的養分，植物細胞裂解產物和根系分泌物爲它們提供了豐富的營養。

還有一種假說認爲，這些人類致病菌或許可以利用其它植物致病菌已經爲它們掃清的戰場，繞過已經被打敗的植物免疫系統，更方便地入侵植物。

鼠傷寒沙門氏菌進入生菜氣孔。圖片來源：DOI： 10.1128/AEM.01084-09

此前的研究也發現，鼠傷寒沙門氏菌不僅能入侵生菜，在西紅柿葉、芝麻菜、香菜、羅勒、捲心萵苣等綠葉蔬菜中也觀察到相似的現象。值得注意的是，這些蔬菜似乎還都是喫沙拉時的熱門選擇，那我們還能愉快地喫沙拉嗎？

論文共同作者、特拉華大學動物和食品科學系微生物食品安全教授  Kali Kniel  認爲，生物防治在這方面大有可爲。此前一些研究表明植物根際細菌（rhizobacteria）可以增強植物對植物病原體的防禦響應。這項研究則檢驗了枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）的一個專利菌株的保護作用，發現用含有這種人體腸道益生菌的水灌溉生菜，可以讓鼠傷寒沙門氏菌在生菜葉片內的含量大大減少。

種植方式的改進也非常重要。作物產量的提高經常是以其免疫系統的犧牲爲代價的。細菌還可能經由水源，在種植或加工過程中污染植物，比如種植在養殖場附近的低矮的作物很容易受到污染。

通過更好地理解細菌、植物和環境之間的相互作用，我們或許將找到對抗這類致病菌的有效方案，喫上放心的沙拉。雖然把蔬菜做熟了喫總是保險的，但讓菜單多一些選擇不就是農業和食品科學的目標之一嗎？