【Nature Plants】新领域！美国杜克大学何胜洋组揭示益生微生物群调控植物免疫的重要作用

2023年8月17日，Nature Plants在线发表了美国杜克大学何胜洋团队及其合作者题为“A critical role of a eubiotic microbiota in gating proper immunocompetence in Arabidopsis”的研究论文。该研究利用基于泥炭的益生植物生长系统，发现无菌植物缺乏年龄依赖性免疫力和正常的PTI响应，但叶合成微生物群可基本恢复这些缺陷；同时，失调微生物群会过度刺激免疫基因的表达；揭示了益生微生物群在调控植物正常免疫能力的重要作用。

https://doi.org/10.1038/s41477-023-01501-1

陆生植物的地上和地下部分寄生着多种微生物，它们共同构成了植物的微生物群；它们存在于植物表面或植物内部。有研究表明，植物可能已经进化出选择和维持微生物群丰度、组成和功能的机制，以实现体内平衡。同时，遗传诱导的微生物群生态失调对植物的健康有害，表明正确组装的微生物群（即益生微生物群，eubiotic microbiota）可能对植物健康和生存至关重要。尽管微生物群落的个体或群体已被证明可以改善养分吸收、生长以及对非生物和生物胁迫的抵抗力，但植物的整个本土微生物群对植物功能的贡献尚不清楚。此外，虽然许多研究表明微生物可以异位刺激或抑制植物免疫反应，但植物免疫反应的正常响应是否需要整个预先存在的微生物群，这一基本问题仍未得到解答。

该团队前期发现了两种基于泥炭的益生植物生长系统 FlowPot 和 GnotoPot43，以及两种合成细菌群落，分别来自健康拟南芥叶子的益生菌群落和min7 fls2 efr cerk1四重突变体叶子的失调群落；该突变体缺乏维持益生内生细菌群落的能力。利用基于泥炭的植物生长系统，该研究发现在缺乏天然微生物群情况下生长的拟南芥，缺乏植物免疫反应PTI的年龄依赖性成熟模式（Figure 1）。

Figure 1．flg22在拟南芥中触发的年龄依赖性免疫力

转录组分析表明，与 HO（含天然微生物群）植物相比，AX（无天然微生物群）植物中 PTI/SA 防御基因表达广泛缺失，从而影响植物的诱导免疫和基础先天性免疫。同时，无菌植物AX对细菌病原体丁香假单胞菌的感染表现出高度敏感性；其PTI 相关免疫反应的水平显著降低。这些结果表明，无菌植物可使多种 PTI 免疫表型受损，包括活性氧ROS的产生、MPK3/6的磷酸化、受体和辅助受体等（Figure 2）。

Figure 2．无菌植物在 PTI 方面表现出明显缺陷

利用来自健康拟南芥植物叶内的 48 种可培养细菌菌株组成的合成微生物群，该研究显示，合成微生物群基本上能够恢复无菌植物的免疫能力；与接种土壤来源菌群的植物类似。（Figure 3）。

Figure 3．叶合成微生物群可恢复无菌植物的免疫能力

该团队前期在基于泥炭无菌系统的开发和优化过程中，发现微生物介导的免疫能力恢复水平与LS营养培养基浓度之间具有相关性。该研究发现，微生物介导的免疫能力依赖于营养；但微生物群介导的免疫能力也会被丰富的营养条件所抑制，特别是高氮水平；表明宿主、微生物群和非生物环境之间的三方相互作用（Figure 4）。

Figure 4．微生物介导的免疫能力依赖于营养

最后，该研究发现由52 成员组成的失调叶微生物群会过度刺激免疫相关基因的表达，包括FRK1、PR1和 CYP71A12等。同时，转录组分析表明，774中的609 个上调的基因显示与生物应激和免疫相关（Figure 5）。

Figure 5．失调微生物群会过度刺激免疫基因的表达

总而言之，该研究利用前期建立的基于泥炭的益生植物生长系统，发现植物预先存在的内源微生物群对植物的正常免疫反应发挥着重要作用：无菌植物表现出年龄依赖性免疫力和PTI多个方面的缺陷，而失调微生物群则会过度刺激免疫基因的表达。这些结果为益生微生物群在调控植物正常免疫能力和年龄依赖性免疫力方面的因果作用，提供了有力证据。

来源：MP植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

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