【LorMe周刊】自給自足：先天免疫的串?dāng)_以維持微生物-宿主穩(wěn)態(tài)

【LorMe周刊】自給自足：先天免疫的串?dāng)_以維持微生物-宿主穩(wěn)態(tài)作者：田秘密，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士在讀，主要研究植物激素代謝調(diào)控根際免疫。

周刊主要展示LorMe團(tuán)隊(duì)成員優(yōu)秀周報(bào)，每周定期為您奉上學(xué)術(shù)盛宴！本期周刊為您介紹植物以自身先天免疫的串?dāng)_來(lái)協(xié)調(diào)微生物-宿主之間穩(wěn)態(tài)的機(jī)制，原文于2021年發(fā)表在《NaturePlants》上。

導(dǎo)讀天然土壤中的植物根系定殖著大量的微生物群落，微生物個(gè)體可激發(fā)植物與微生物相關(guān)的分子模式（MAMP）免疫系統(tǒng)（MTI）。作者發(fā)現(xiàn)41%的根系共生菌抑制了由免疫刺激MAMP或損傷相關(guān)分子模式觸發(fā)的擬南芥根系生長(zhǎng)抑制（RGI）；高通量測(cè)序結(jié)果表明，這一免疫激發(fā)現(xiàn)象改變了合成菌群（SynComs）的結(jié)構(gòu)，包括非抑制型RGI菌株。擬南芥根系定殖的不同復(fù)雜性和RGI抑制活性的合成菌群，改變了與根系發(fā)育和營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸功能有關(guān)的174個(gè)核心宿主基因的表達(dá)。此外，通過(guò)RGI抑制型SynComs對(duì)植物預(yù)定殖（precolonization）或突變共生下調(diào)轉(zhuǎn)錄因子MYB15能使植物對(duì)病原假單胞菌更為敏感。本文研究表明，非抑制型和抑制型RGI的根系共生菌分別通過(guò)激發(fā)或抑制MTI反應(yīng)來(lái)調(diào)控宿主對(duì)病原菌的易感性，這種互作緩減了植物免疫系統(tǒng)對(duì)抗病原菌擾動(dòng)和防御相關(guān)的生長(zhǎng)抑制，最終達(dá)到根系共生菌與宿主間的穩(wěn)態(tài)。根系SynComs具有干擾防御相關(guān)植物生長(zhǎng)抑制的能力研究對(duì)來(lái)自At-RSPHERE（植物相關(guān)微生物資源庫(kù)，/）的選定菌株進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)并使用iTOL進(jìn)行可視化，利用flg22受體FLS2僅在根表皮過(guò)表達(dá)的擬南芥超敏材料pWER::FLS2-GFP（圖S1）來(lái)篩選RGI抑制型根系共生菌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，151個(gè)細(xì)菌分別與flg22共培養(yǎng)三周后，41%的菌株會(huì)干擾RGI，主要集中在放線(xiàn)菌、變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)（圖1a）。為了檢測(cè)根系共生菌是否能夠抑制由植物內(nèi)源性危險(xiǎn)相關(guān)分子模式（DAMP）引起的RGI，研究以可誘導(dǎo)RGI和免疫反應(yīng)的DAMPAtpep1處理擬南芥野生型（Col-0）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，代表不同分類(lèi)群的12種抑制型菌株保留了干擾RGI的能力，可以抑制DAMP和MAMP誘導(dǎo)的RGI（圖S2）。其中，RGI抑制型菌株342（Caulobacter，柄桿菌屬）可抑制flg22但不抑制Atpep1介導(dǎo)的RGI。這表明存在兩種RGI抑制模式：一種干擾MAMP和DAMP誘導(dǎo)的RGI，另一種能被flg22受體特異性感知的RGI。

圖S1flg22超敏材料pWER::FLS2-GFP（增強(qiáng)RGI效應(yīng)）

圖S2微生物群落成員調(diào)節(jié)Atpep1誘導(dǎo)的根生長(zhǎng)抑制（RGI）為了驗(yàn)證自然土壤條件下RGI抑制型微生物是否作為主導(dǎo)群落，作者組建了4個(gè)獨(dú)立但在分類(lèi)學(xué)上相似的SynComs（均有RGI抑制能力）：RGI非抑制型SynComs（NS1和NS2）和RGI抑制型SynComs（S1和S2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，RGI主要是由flg22處理引起并被占主導(dǎo)地位的At-RSPHERE成員廣泛抑制。進(jìn)一步地，作者推測(cè)RGI非抑制型和抑制型菌株的同時(shí)出現(xiàn)可能反映了共生微生物需要抑制植物免疫力以平衡根系生長(zhǎng)和防御權(quán)衡。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，向非抑制型SynCom中添加不同個(gè)體抑制型菌株僅導(dǎo)致部分RGI抑制，表明抑制型共生微生物種類(lèi)以及抑制與非抑制型的輸入比例會(huì)影響RGI抑制能力。另外，為了確定SynCom如何抑制RGI，作者還測(cè)定了培養(yǎng)基pH、共生菌是否利用III型分泌物或靶向flg22的受體上游等。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根系共生菌通過(guò)不同的機(jī)制來(lái)抑制RGI。

圖1特異性的At-SPHERE根共生微生物抑制power::FLS2-GFP中flg22介導(dǎo)的RGI植物自身免疫激活塑造根系微生物群落為了確定植物免疫是否影響微生物群落的建立，作者重構(gòu)了3組分類(lèi)相似但RGI抑制能力極不相同的SynComs，進(jìn)行瓊脂基質(zhì)的限菌試驗(yàn)。結(jié)果表明，無(wú)論SynCom組成和植物基因型（Col-0和pWER::FLS2-GFP）如何，根系相關(guān)細(xì)菌群落顯著不同。flg22處理引起了非抑制型SynComs植物中的群落變化，而抑制型SynComs不受影響。為了剖析單個(gè)菌株對(duì)整體群落轉(zhuǎn)變的貢獻(xiàn)，作者量化了單個(gè)菌株的相對(duì)豐度（RA）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，群落中特定菌株的RA受到植物免疫的影響，可能是由于MTI的增強(qiáng)和/或根系結(jié)構(gòu)的改變。此外，flg22處理降低了非抑制型SynComs的樣本多樣性，表明免疫激活可以影響特定菌株在社區(qū)環(huán)境中的分布。

圖2flg22激活免疫影響共生社區(qū)建設(shè)根系轉(zhuǎn)錄組變化和抑制型SynComs對(duì)免疫的阻控盡管flg22介導(dǎo)的RGI與免疫激活密切相關(guān)，但其作為真正免疫輸出的作用尚不清楚。接著，作者研究了在無(wú)菌（Mock）、熱滅活（heat-killed）和活菌（Live）接種抑制型或非抑制型SynComs對(duì)flg22處理植物根系轉(zhuǎn)錄組的影響。在所有熱滅活、非抑制型SynCom定殖的樣品中觀察到由flg22引發(fā)植物的不同免疫響應(yīng)（圖3a），但抑制型SynCom定殖的flg22處理沒(méi)有引起顯著變化。接著，對(duì)涉及flg22響應(yīng)、SynCom響應(yīng)或兩者表達(dá)差異的基因（DEG）進(jìn)行k均值聚類(lèi)（圖3b）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SynCom響應(yīng)簇主要富集與解毒、根系發(fā)育、養(yǎng)分運(yùn)輸和缺氧響應(yīng)相關(guān)的功能。正如預(yù)期所示，部分防御相關(guān)基因如PER5、FRK1和RBOHD（70個(gè)基因；圖3b）在c3基因簇中富集。然而，即使存在抑制型SynCom，在c3之外還發(fā)現(xiàn)了額外的防御相關(guān)DEG，并通過(guò)flg22處理上調(diào)（348個(gè)基因；圖3b）。最近的研究表明，無(wú)菌根系中的MAMP反應(yīng)性受損傷誘導(dǎo)的PRRs的表達(dá)控制。然而，在SynComs存在下FLS2（c1簇）的持續(xù)表達(dá)表明RGI抑制不是由于FLS2下調(diào)（圖3b）。作者通過(guò)在其他抑制型SynComs存在下使用定量PCR考察擬南芥根中兩個(gè)flg22誘導(dǎo)防御標(biāo)記基因的表達(dá)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非抑制型SynCom顯著誘導(dǎo)PER5和FRK1表達(dá)上調(diào)，而抑制型SynCom無(wú)影響，這說(shuō)明非抑制型共生體刺激特定的根系免疫反應(yīng)。為了確定MTI影響根際共生菌的增殖且與微生物-微生物互作無(wú)關(guān)，以轉(zhuǎn)錄因子（TF）WRKY30、MYB15和WRKY28進(jìn)一步驗(yàn)證。研究主要關(guān)注MYB15（一種防御葉面病原體PtoDC3000的正調(diào)節(jié)劑），在myb15-1植物中，這種TF的消除顯著增加了致病菌Pseudomonas401和Variovorax434的增殖。擴(kuò)增子測(cè)序和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，特定根系共生菌的定殖受宿主MTI的影響，這種影響可以被抑制菌株減弱。作者還探究了抑制型SynCom對(duì)非蛋白質(zhì)誘導(dǎo)物幾丁質(zhì)（一種MAMP）觸發(fā)的防御反應(yīng)的影響，觀測(cè)了1h、6h和24h防御標(biāo)記基因FRK1、PER5和幾丁質(zhì)酶（AT2G43620）的表達(dá)。有趣的是，SynComs對(duì)幾丁質(zhì)介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)發(fā)揮了協(xié)同作用，但SynComs與flg22和幾丁質(zhì)觸發(fā)的反應(yīng)相互作用不同。

圖3SynCom定殖和flg22處理誘導(dǎo)WTCol-0植物根系轉(zhuǎn)錄組的變化抑制型和非抑制型共生菌差異影響植物對(duì)致病菌的易感性作者假設(shè)具有抑制型SynCom的定殖可能會(huì)使植物更容易受到機(jī)會(huì)性病原體的影響，從At-RSPHERE（植物相關(guān)微生物資源庫(kù)）中鑒定了三種有害菌株。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與抑制型SynCom相比，當(dāng)植物與非抑制型SynCom共培養(yǎng)時(shí)，致病菌的有害影響嚴(yán)重削弱（圖4a）。最近的研究表明，天然擬南芥種群的疾病進(jìn)展與細(xì)菌生物量之間存在正相關(guān)性。為了確定假單胞菌401的毒力是否與植物定殖能的增強(qiáng)有關(guān)，作者量化了其在pWER::FLS2-GFP上以抑制型或非抑制型SynComs預(yù)定殖的絕對(duì)豐度。與非抑制型SynComs預(yù)定殖的植物相比，已被抑制型SynComs定殖的植物明顯具有更多的假單胞菌401（圖4b，c）。有趣的是，這種依賴(lài)于SynCom的差異似乎僅限于根系（圖4b、c）。與非抑制型SynComs定殖的植物相比，抑制型SynComs促進(jìn)假單胞菌OTU5的生長(zhǎng)，并且僅在根系中觀察到這種SynCom特異性效應(yīng)（圖4b，c）。這些結(jié)果表明，非抑制型SynComs的預(yù)定殖激活了根免疫，這與機(jī)會(huì)性病原體的生長(zhǎng)削弱有關(guān)，而抑制型SynComs未能提供病原體保護(hù)。

圖4特定細(xì)菌的失衡會(huì)影響植物對(duì)機(jī)會(huì)性假單胞菌病原體的易感性結(jié)論自然界中的植物受到外界壓力的影響，同時(shí)被多樣性的微生物群落定殖，這些微生物群落通過(guò)多種機(jī)制調(diào)節(jié)植物生理，如植物激素信號(hào)。本文中，作者采用自下而上的方法來(lái)證明系統(tǒng)發(fā)育多樣的根系共生菌可以調(diào)節(jié)植物免疫，它們?cè)诓≡w的侵染下協(xié)調(diào)維持群落-宿主內(nèi)穩(wěn)態(tài)。RGI非抑制型和抑制型的根系共生微生物分別通過(guò)引起和減弱MTI響應(yīng)，從而改變宿主植物對(duì)病原菌的易感性。這種相互作用緩解了植物免疫系統(tǒng)對(duì)病原體的干擾和防御相關(guān)的生長(zhǎng)抑制，最終達(dá)到共生微生物和宿主之間的穩(wěn)態(tài)。迄今為止，由共生微生物群落引起的擬南芥根轉(zhuǎn)錄組變化的信息僅限于單菌研究，本文表明共生群落定殖對(duì)宿主轉(zhuǎn)錄輸出（根系發(fā)育、養(yǎng)分運(yùn)輸和解毒等）的影響極其重要。論文信息原名：Coordin