今日的文献精读带来德国马克斯普朗克植物育种所（Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）Stéphane Hacquard（Nature Plants | 德国马普植物育种所研究揭示地下微生物群落解决地上植物的胁迫问题！）团队发表在国际权威学术期刊PNAS上的研究成果，题为Tryptophan metabolism and bacterial commensals prevent fungal dysbiosis in Arabidopsis roots的研究论文。该研究阐明了维持植物根系之间有益关系所需的宿主和微生物因素以及它们多样化的微生物群落。
摘要
在自然界中健康植物的根部被包括细菌、真菌和卵菌在内的多种微生物群落定居。一个关键问题是植物如何控制这些不同微生物在根部的组装，以维持宿主-微生物的动态平衡和健康。作者希望能阐明维持植物根系之间有益关系所需的宿主和微生物因素以及它们多样化的微生物伙伴。
关键结论：
1)多界微生物Syncom中真菌的存在是cyp79b2/b3拟南芥突变体非生物表型的直接原因；
2)细菌共生体和宿主色氨酸代谢都是控制真菌定殖所必需的，从而促进了拟南芥的生长和存活。
结果表明，细菌根共生体的保护活性与宿主色氨酸代谢途径一样，在防止拟南芥根际真菌生态失调方面起着同样重要的作用。
前言
植物先天免疫系统的特定部分，即植物激素，色氨酸(Trp)衍生的抗菌物质，在与拟南芥的联合实验中，被证明是促进植物生长所必需的关键分子。
尽管对植物的先天免疫系统进行了大量研究，但我们对在适应根部共生微生物和维持宿主-微生物动态平衡方面机制的理解仍然是支离破碎的。
目前的一个假设是，植物根部微生物的动态平衡是由宿主-微生物和微生物-微生物相互作用共同控制的。然而，这两种截然不同的输出在维持植物与其根共生体之间的动态平衡关系方面的相对贡献还有待确定。
至少有一个涉及色氨酸衍生的抗菌物质的拟南芥先天免疫系统的一个分支，对于选择性地控制植物根系中的真菌定殖，从而防止生态失调和维持根系微生物区系的促生长结果是必要的。
材料与方法：
除生殖期实验因时间较长(9wk)而独立进行2次外，其余实验均至少独立进行3次。共使用23个拟南芥品系，以拟南芥Col-0为WT，与22个突变体在Col-0背景中进行比较。
结果
1、BFO介导的植物生长促进需要完整的先天免疫系统。
接种5wk后与灭菌对照植物相比，BFO Syncom显著提高了地上部鲜重。
绝大多数免疫受损突变体(即64%)失去了受益于BFO Syncom的能力，这表明几个免疫区段是植物根通讯促进生长活性所必需的。结果表明，植物先天免疫途径与维持有益的植物-微生物区系相互作用之间存在联系。
图1：先天免疫与BFO介导的植物生长促进之间的联系
2、根微生物区系组成不能解释BFO介导的植物生长促进在不同基因型之间的差异
我们推测，在FlowPot系统中观察到的几个免疫受损突变体中，缺乏BFO介导的植物生长促进与根微生物区系组成的异常特征有关。
基于不同度量的分析没有揭示不同免疫部门对根样本中细菌、真菌和卵菌多样性的主要影响。
我们推测，在FlowPot系统中观察到的几个免疫受损突变体中，缺乏BFO介导的植物生长促进与根微生物区系组成的异常特征有关。
检查Wt和免疫受损突变体之间的成对差异，发现15种细菌基因型中有6种在群落组成上存在显著差异，而真菌和卵菌15种基因型中只有1种显著差异。接着猜测在不同基因型之间检测到的根微生物区系组成的差异可以解释BFO介导的植物生长促进作用的观察到的差异，经分析没有发现相对生长促进指数和群落之间的显著关联。
结果表明，特定免疫部门的失活温和塑造根中的微生物组合，根微生物区系组成的基因型特异性差异不太可能是驱动BFO介导的植物生长促进突变的主要原因。
图2. 免疫功能低下突变体根系微生物群组成的微妙变化
3、根中的真菌定殖解释了在不同突变体之间的BFO介导的植物生长促进的差异
我们推测，是根部微生物的总丰度，而不是微生物群落组成的变化，可能解释了BFO介导的FlowPot系统中植物生长促进的变化。
在植物根部的细菌和真菌定殖方面检测到突变体之间存在显著的差异。
我们推测，是根部微生物的总丰度，而不是微生物群落组成的变化，可能解释了BFO介导的FlowPot系统中植物生长促进的变化。
为了确定总微生物定殖是否能更准确地解释观察到的突变体中BFO介导的植物生长促进作用的差异。表明是植物根部真菌定殖的增加，而不是细菌或卵菌定殖的增加，与BFO介导的植物生长促进作用的缺乏是显著相关的。
这些结果表明，通过免疫调节控制植物根系中的真菌定殖是维持多界BFO Syncom有益活性的关键。
图3. 根部真菌解释了BFO介导的植物生长表型
4、色氨酸代谢物分别可用于预防根部真菌的失调
已知将色氨酸转化为IAOx所需的两个功能冗余基因(cyp79b2和cyp79b3)的失活足以将有益的植物-微生物区系的结合从动态平衡状态转变为非稳定状态。
（1）发现突变体cyp79b2/b3 根中依赖cyp79b2/b3的代谢物的积累与Wt相比有显著的差异
（2）与Wt相比，游离IAA的水平显著降低，部分概括了观察到的依赖cyp79b2/b3代谢物的降低
（3）不依赖于cyp79b2/b3的代谢物在cyp79b2/b3和WT之间没有显著差异。
以上实验证实了cyp79b2/b3突变对我们实验中使用的植物根中色氨酸代谢物存在特异性影响。
利用一组突变体测试了色氨酸代谢的不同分支在多大程度上有助于维持根部真菌的动态平衡和BFO介导的植物生长促进。
没有一个测试的突变体表现出在cyp79b2/b3突变体的背景下观察到的植物生长BC和真菌定殖D-F。
5、拟南芥突变体cyp79b2/b3在生殖阶段保留了失调的表现
为了测试菌群失调(即真菌定殖增加和植物生长改变)在植物生命周期中的稳固性。
（1）用BFO合成菌群重新接种wt和cyp79b2/b3，我们观察到在BFO接种8wk后，cyp79b2/b3突变体的植株干重显著低于灭菌植株，而WT植株则不是这样(图4A），与在营养生长期获得的上述结果一致(图1C和3B)。
（2）在生殖阶段，BFO诱导的WT和cyp79b2/b3之间的差异生长与根真菌增加相关但与细菌定殖无关(图4D-F）。
（3）两个基因型之间细菌群落组成会发生变化而不是真菌群落组成的变化(图4G和H）。
结果表明，cyp79b2/b3突变体在营养生长期观察到的明显的反生表型在生殖生长期保持不变，与停留时间(营养生长期：5wk和生殖生长期：8wk)和生长条件无关。
图4. Trp代谢和细菌共生体防止根部真菌失调
6、色氨酸代谢和细菌根部共生控制真菌定殖以促进植物存活
探究细菌共生体和宿主Trp代谢在多大程度上协同调节植物根系中的真菌生长，以促进拟南芥的健康。
与灭菌处理相比，F、O和FO群落对Wt植株的干重产生负面影响，并在大多数情况下触发提早抽薹和角果产生 (图4 A-C)。
图显示没有一株cyp79b2/b3突变体在没有细菌群落的情况下存活。细菌根际群体本身对wt和cyp79b2/b3(B wt和B cyp79b2/b3)的生长都没有不利影响，并且在卵菌存在的情况下能够将cyp79b2/b3的干重完全恢复到控制水平，但当合成菌群中有真菌存在时(cyp79b2/b3，B与BF、B与BO)就不会产生这种效果（ 图4 A）。以上表明BFO 合成菌群中是真菌而不是卵菌或细菌的存在可能是观察到该突变的菌群失调的原因。
为了确定细菌共生体如何补充Trp代谢以防止真菌失调，我们接下来检查了微生物定殖（图4D-F),以及植物根系中微生物多样性和微生物群落组成（图4G和H）,可以看出细菌共生的存在导致了植物根部真菌定殖的显著降低。
与在没有细菌的情况下接种这些真菌的条件进行比较(见F与BF)，细菌共生体的存在导致了植物根部真菌定殖的显著降低，但真菌多样性和群落组成都没有显著变化。结果表明，宿主Trp代谢和根部细菌共生体对真菌定殖的调节既是必要的，也是相加的。
讨论
通过筛选几种免疫功能低下的植物，我们观察到与对照相比，绝大多突变体在BFO介导的植物生长促进方面表现出显著的减少。因此，多界微生物根系共生体促进植物生长的结果需要完整的免疫系统。
此外因为两个编码细胞色素P450酶的冗余基因(cyp79b2和cyp79b3)失活，这两个基因是将Trp转化为IAOx所需的，足以诱导微生物群落中的真菌生态失调，从而将有益Syncom转变为有害Syncom。
我们观察到了根中真菌负荷和植物健康之间的联系，我们表明真菌丰度的调节受到一个双层回路控制，该回路一方面涉及宿主先天免疫系统，另一方面涉及细菌根共生体。
这些结果表明，植物的先天免疫输出和细菌的生防能力被认为是维持植物根系与其多微生物Syncom之间的动态平衡关系的关键因素。
早期的研究表明
1. 植物先天免疫系统的特定部分，即植物激素，在塑造根系微生物区系组合方面起作用；
2. 宿主对根系微生物区系的反应和环境胁迫通过先天免疫系统联系起来，以促进植物健康；
3. 先天免疫调节对于模式根际细菌菌株和真菌根系共生体的适应和有益活动是必需的。
本次研究
根部免疫调节抑制真菌生长对于拟南芥的健康是必要的，但在没有细菌的情况下，不足以完全防止真菌的负担。
宿主编码的免疫功能和细菌编码的保护活性可能随着进化时间的推移相互补充，以促进有益的多界微生物群落平衡的根部定殖。
3. 结果表明，植物的先天免疫系统是强大的，可能会出现功能冗余和补偿机制，以防止植物组织中的细菌失调。
这表明植物免疫系统不足以完全保护植物免受真菌侵染，而位于根部的细菌伙伴提供了额外的保护层，这是植物生存所必需的。
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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