New Phytologist | 研究揭示寄生卵菌选择性抑制叶际微生物群落的机制！

以下文章来源于Ad植物微生物 ，作者古今

2023年5月24日，国际权威学术期刊New Phytologist在线发表了德国图宾根大学植物分子生物学中心Eric Kemen团队的最新相关研究成果，题为Proteins released into the plant apoplast by the obligate parasitic protist Albugo selectively repress phyllosphere-associated bacteria的研究性论文

摘要：

生物和非生物相互作用塑造了自然微生物群落。微生物-微生物相互作用的机制，特别是基于蛋白质的机制尚不清楚。我们推测，释放的具有抗菌活性的蛋白是塑造和保护植物生态位的强大和高度特异性的工具。

我们研究了来自卵菌门的专性植物寄生的白锈菌，它可能通过释放抗菌蛋白到质外体来调节细菌的生长。

白锈菌感染和未感染的野生拟南芥样品的扩增子测序和网络分析揭示了白锈菌和其他叶际微生物之间的大量负相关。结合机器学习预测因子分析白锈菌定殖叶片的质外体蛋白质组，能够选择用于异源表达的抗菌候选蛋白并研究其抑制功能。我们发现三种候选蛋白对分离自拟南芥的革兰氏阳性菌具有选择性抗菌活性，并证明这些被抑制的细菌对群落结构的稳定性非常重要。我们可以将候选蛋白的抗菌活性归因于内在无序区域，并将其与它们的净电荷正相关。这是首次报道在质外体条件下具有抗菌活性的原生生物蛋白，因此是靶向操纵微生物组的潜在生物控制工具。

讨论：

植物质外体是微生物生存的一个具有挑战性的栖息地。一方面，植物的防御，包括氧迸发和蛋白酶，另一方面，微生物保护自己的生态位，使其成为一个难以征服的环境。白锈菌是一种丝状病原体，它开发了一种生态位形成策略，通过这种策略，它可以改变预先存在的植物微生物群，以更好地满足其需求。对这种现象的一些机理解释被归因于白锈菌对植物免疫系统的影响及其对其他微生物的间接影响。具体来说，通过降低植物的防御识别系统，病原体允许微生物茁壮成长，否则不会，反之亦然。在这里，我们提供的证据表明，白锈菌通过将具有抗微生物活性的蛋白质和肽释放到质外体中，直接有助于形成植物相关的微生物群落。拟南芥微生物组数据集的OTU相互作用分析显示了白锈菌与特定群落成员的大量积极和消极相互作用，支持了先前的发现。总的来说，整个网络中正相互作用的正态分布表明正关系在叶际中是常见的，可能是由于代谢物的共享和其他非特异性合作。同时，负度的幂律分布表明网络中成员的具体相互作用，其中只有部分节点是高度负相关的。这表明这些节点可能代表了抑制的来源，例如通过释放抗菌化合物。

特别是对白锈菌来说，相邻的积极相互作用可能意味着促进这些生物对白锈菌的潜在益处，或者意味着它们的重寄生性质，因为它们受益于其存在。在正相互作用网络中，我们发现白锈菌与变异菌属之间存在相关性，变异菌属作为一种常见的植物生长促进细菌，可以在感染期间促进宿主植物的存活，从而间接促进白锈菌。白锈菌作为一种专性生物营养生物，也需要控制威胁宿主生存的微生物的生长。通过释放效应蛋白来降低植物的防御，白锈菌可能会使植物容易受到某些病原体的攻击，这可能会导致适应性抗菌反应。

抑制竞争对手的一种策略是释放次生代谢物。然而，白锈菌的基因组并不编码可能与观察到的其他微生物负相关的关键次级代谢物。在真菌中，微生物-微生物相互作用的蛋白质效应蛋白被鉴定为对竞争对手具有直接或间接抑制作用。例如，已显示真菌酵母分泌负责抑制白锈菌的糖苷水解酶。关于具有潜在抗微生物功能的糖基水解酶，与半活体营养和死体营养卵菌相比，白锈菌的数量明显较低，并且在预测的分泌组和质外体分泌组中只能鉴定出其中的一小部分。已经表明，这是专性活体营养病原体的一个共同特征，因为裂解酶具有潜在的问题，因为它们可能产生被识别并触发防御的小分子产物，最终破坏生存环境。因此，我们假设抗菌蛋白和肽作为一种机制来保护叶片内如此脆弱的生态位，因为它们可能能够逃避植物的识别，但却限制了其他微生物的生长。

我们发现C06在pH为5.9时表现出抗菌活性，而在pH为7.2时则没有抗菌活性，预期其具有更多的负电荷。以这种方式，pH可以专门在质外体的更酸性条件下作为抗微生物作用的外部触发因素，从而防止菌丝细胞质中的不良作用。类似地，这种靶向机制已被报道用于人类抗微生物肽（抗菌肽），当它们到达其作用位点时被专门激活。一旦释放到质外体中，白锈菌蛋白可能被植物或微生物来源的蛋白酶切割，允许释放抗菌肽，并确保仅在预期细菌靶附近达到全部抗微生物活性。IDRs可以通过阻止限制蛋白酶进入的球状构象来促进这一过程。

当观察被白锈菌蛋白候选蛋白抑制的细菌时，我们发现它们具有巨大的群落塑造潜力。我们认为抑制特性和选择性活性也可能适用于本地环境。因此，特异性释放针对大部分群落有影响的细菌的效应蛋白，可能是白锈菌在降低代谢能力的同时放大其叶际塑造效应的一种经济有效的方式。

总之，我们已经发现来自植物原生生物病原体白锈病的三种质外体蛋白对属于革兰氏阳性菌的几种植物分离菌株具有抗微生物性。在对叶片样本进行质外体蛋白质组分析并对蛋白质进行计算机预测和分类以寻找具有抗菌潜力的候选蛋白后，选择了这些蛋白质。虽然它们的具体作用机制还有待阐明，但我们发现其中两个蛋白的抗菌活性与C端结构域的IDRs中的正净电荷有关。鉴于尚未开发的专性活体营养微生物的巨大多样性，本研究为发现基于肽的抗生素开辟了新的来源。

结果：

拟南芥叶际中OTU相互作用网络

感染拟南芥叶片白锈菌质外体蛋白的蛋白质组学研究

白锈病质外体候选蛋白的抗菌预测及活性研究

来自Albugo candida、C06、C14及其结构域的候选蛋白的抗菌活性

液体培养和植物中的合成群落（SynCom）实验表明Aeromicrobium fastidiosum I01的相关性

本文转载自Ad植物微生物

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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