转自中关村旭月非损伤微测技术产业联盟

       在土壤中生长的植物被多种微生物定殖，这些微生物统称为植物微生物群，对自然界中植物的最佳生长至关重要，并保护植物宿主免受病原微生物和昆虫的有害影响。然而，面对先进的植物免疫系统，它已经进化到能够识别微生物相关分子模式（MAMPs）--一个微生物类别中的保守分子--并启动免疫反应，人们不知道土壤中的微生物如何能够在植物根部定殖。现在，由Paul Schulze-Lefert（近5年37篇高水平文章！Paul Schulze-Lefert院士团队在先天免疫和植物菌群领域取得重大进展！）领导的德国科隆马克斯-普朗克植物育种研究所的研究人员和Jeffery L. Dangl领导的美国北卡罗来纳大学教堂山分校（近5年50篇高水平文章！Jeff Dangl院士团队在植物微生物互作领域取得重大进展！Science重磅 | 北卡教堂山分校和诺丁汉大学研究揭示微生物改变植物根系通透性！Nature | 重磅！Jeff Dangl团队揭示微生物组中的单一细菌属维持根的生长）的研究人员在两项单独的研究中表明，当免疫抑制性和非抑制性细菌都存在时，在微生物群落的背景下，共生细菌的一个子集能够抑制植物免疫系统的一部分并在植物根部定殖（Cell Host ＆ Microbe | Jeff Dangl团队揭示共生菌群通过MAMP多样性调节植物免疫！Cell Host & Microbe | 背靠背！Jeff Dangl团队揭示拮抗多效性调节植物免疫的机制！）。

       植物已经进化出一个先天免疫系统来保护自己免受病原体的侵害，包括通过驻扎在植物细胞表面的模式识别受体（PRRs）来识别微生物的MAMPs。PRRs对MAMPs的识别导致了MAMP触发的免疫（MTI），从而限制了病原体的繁殖（Cell | 瑞士洛桑大学研究揭示植物根部免疫系统如何区别对待病原微生物和有益微生物！Cell Host & Microbe | 植物根部采用细胞层特异性程序响应病原微生物和有益微生物！PNAS | 中科院王二涛团队揭示受体竞争可以区分水稻的共生和免疫信号！Plant Cell | 牛津大学阐述植物病原菌和共生菌避免细胞表面受体识别的九种胞外策略！）。然而，如果不加以控制，长期的MTI也会导致植物生长受到抑制，这种现象被称为生长-防御平衡（Cell Host & Microbe | 细菌鞭毛蛋白与植物免疫系统之间的 “猫鼠游戏”！PLOS GENETICS | 德国马普所揭示温度调控植物免疫与生长之间权衡取舍的机制！）。病原体已经进化出多种机制来抑制MTI，令人惊讶的是，这一特性也在根部微生物群的非有害共生细菌子集中被发现。这些细菌被称为"免疫抑制性"微生物，与不能抑制MTI的"非抑制性"共生微生物形成对比。现在，已经出现的情况是，植物微生物群中免疫抑制性微生物的存在可以抑制宿主的部分免疫反应，同时有利于机会性病原体的定殖--这些感染性微生物通常对宿主无害，但在有利条件出现时可以引起病害。

       2021年5月24日，国际权威学术期刊Nature Plants发表了德国科隆马克斯-普朗克植物育种研究所（Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）Paul Schulze-Lefert团队的最新相关研究成果，题为Coordination of microbe-host homeostasis by crosstalk with plant innate immunity的研究论文。

 

 

       为了首先评估植物根部共生细菌干扰防御相关的根部生长抑制（RGI）的能力，Paul Schulze-Lefert团队利用从拟南芥根部分离的细菌菌株的系统收集，证明了在flg22（已知可诱导植物免疫反应的研究最多的微生物衍生分子之一）的存在下，将细菌与拟南芥共同培养三周后，该收集中41%的细菌菌株能够干扰RGI。这种能力似乎不是植物微生物组中某种类型的细菌所特有的，因为它是在整个植物微生物组相关的细菌中检测到的，包括放线菌门、变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门。

 

 图1：At-RSPHERE根部共生菌表现出菌种特异性变化，以抑制pWER::FLS2-GFP植物中flg22介导的RGI

 

       然后，研究人员通过评估flg22触发的RGI和基因表达，以及SynComs本身作为flg22刺激植物免疫反应的结果，研究了完全由免疫抑制性或非抑制性细菌组成的合成群体（SynComs）对宿主植物的影响。有趣的是，他们发现，虽然完全由免疫抑制性细菌组成的SynComs阻碍了RGI，但由非抑制性细菌组成的SynComs却没有。研究人员随后证明，flg22对宿主植物免疫反应的激活改变了被非抑制性SynComs定殖的植物根部微生物群组成，这一发现在由免疫抑制性细菌组成的根部微生物群或两者的混合中没有观察到。此外，对完全由免疫抑制性SynComs定殖的植物的分析导致了宿主基因表达的改变，特别是免疫相关基因子集的下调，以及对测试的机会性植物病原体的易感性增加。综上所述，这些结果表明，抑制性和非抑制性细菌共生体主要通过促进或阻碍MTI反应，以不同的方式调节宿主反应，为了维持植物的平衡，需要在这两类细菌菌株之间取得平衡（图5）。

 图2：由flg22激活免疫影响群落建立

 

 图3：SynCom定殖和flg22处理诱导野生型Col-0植株的根部转录组变化

 

 图4：特定细菌的不平衡影响植物对机会主义病原假单胞菌的敏感性

 

图5：通过与植物先天免疫的串联来协调微生物-宿主的平衡状态

 

       研究人员的研究结果强烈表明，为了实现植物生长和植物防御之间的健康平衡，从而维持微生物-植物平衡，植物根部微生物群需要以平衡的比例包含免疫抑制性和非抑制性细菌菌株。植物微生物群中任何一种细菌数量过多或不足都可能对植物不利，因为它可能导致病害易感性增加和植物生长不良。尽管人们知道植物与它们的微生物群有着密切的联系，但令人惊讶的是，我们仍然没有充分了解它们对植物免疫系统的影响。这项研究是一个很好的例子，说明平衡的微生物群对于调节植物的相关性状是很重要的。从转化的角度来看，如果人们能够以这样的方式操纵微生物群，使其达到平衡，以利于植物的生长，那么这些发现就有了应用的潜力。