【原】【LorMe周报】不打不相识：免疫系统的激活是植物与产生长素有益细菌发生互作的前提

LorMe青年 2021-12-07

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作者：石礼文，南京农业大学硕士在读，主要研究果树养分管理。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍生长素分泌细菌与植物免疫系统相互作用：生长素促进细菌在根上传播和菌落形成，同时也诱导植物免疫受体的表达，进一步加速反馈循环，提高了瓦氏假单胞菌对植物病原真菌的抑制能力。原文于2021年发表在《Cell host & microbe》上。

导读

有益细菌与植物免疫系统的互动是如何进行的？它们互动的方式是避其锋芒，另辟蹊径？是相爱相杀，还是不打不相识，化干戈为玉帛？接下来这篇文章或许对大家有所启发。

我们都知道植物利用其免疫系统持续监测微生物的存在，从而建立适应性反应。与病原菌的免疫识别不同，有益细菌产生的生长素可以通过影响水杨酸信号通路来抑制植物免疫系统。然而，目前还不清楚细菌产生的生长素是否直接影响其定殖能力。研究人员通过对产生长素的促生菌瓦氏芽孢杆菌FZB42(B.valezensis)对拟南芥的定殖分析，发现植物免疫系统的激活是细菌高效定殖和生长素分泌的前提。接下来，让我们走进有益菌与根系免疫系统不打不相识的深层互动。

主要结果

一、细菌生长素在根系定殖过程中的双重作用

1.促进侧根发育：为了表征细菌与植物根系之间的相互作用，作者将B.valzensis接种到琼脂平板上生长的拟南芥幼苗上。培养7天后发现，与缓冲液处理的幼苗和接种ΔysnE（抑制生长素合成的B.valzensis菌株突变体）的植株相比，WT细菌定殖植株的初生根生长减少，侧根发生率增加(图1A和图2A-2B)，同时在根中发现生长素报告基因(DR5::GFP)的表达增强(图1B-1C)。

2.决定根表有效定殖：ΔysnE细菌在体外表现出正常的生长、群游和生物膜形成(图2C-E)，却未能像WT细菌那样有效地在根上定殖，而外源生长素的加入，恢复了ΔysnE细菌的定殖(图1D)。这表明细菌分泌的生长素不仅影响根系的发育，而且决定了细菌能否在根表成功定殖(图1D-1F)。作者通过不同时间对连接GFP的B.valzensis野生和突变菌株定殖情况进行显微观察发现：大多数WT细菌在根上定殖并形成菌落(图1G)，而多数ΔysnE细菌未能复制且表现出生长停滞或死亡(图1H)。

图1 细菌生长素促进植物侧根形成和细菌根定殖

图2 细菌生长素对植物根系和细菌生理的影响

二、活性氧(ROS)是细菌定殖在根表中的一个主要限制因素

由于ΔysnE细菌在根表定殖的能力降低(图1H)，作者认为B.valzensis可能触发植物免疫反应，并进行验证。首先对细菌定殖48小时后的根系进行RNA测序，发现与对照相比，与免疫系统相关的基因被激活，表明B.valzensis的定殖引起了根的免疫反应，ROS的合成途径也有显著响应(图3B)。于是作者测定了三种不同MAMP受体缺失的植物ROS反应，发现efr2(EFR受体缺失的植株突变体）的ROS减少量最大 (图3B)，且胼胝质沉积也显著降低(图4C-4D)，确定响应植物ROS反应的为EFR受体。

随后作者推测，如果细菌生长素是细菌应对植物免疫反应所必需的，那么产生长素不足的ΔysnE细菌在免疫受损的突变植株efr2上的定殖将会恢复。然后作者发现在efr2根系上的ΔysnE细菌生长显著增强 (图3C-3D和图4E)，但与WT细菌不同的是，它们不粘附在根上(比较图3D和图1G)，EFR2受体在根中的表达水平非常低(图3E)。然而，B.valzensis的定殖却极大刺激了pEFR基因的表达(图3E)。有趣的是，外源IAA也刺激了pEFR基因的表达(图3E)，这表明细菌生长素也能够刺激EFR的表达。

图3 细菌生长素中和植物免疫反应

图4 细菌以EFR依赖的方式在根部诱导免疫反应

三、生长素能够缓解ROS毒性

作者通过检测ΔysnE细菌在免疫应答基因突变体植株根系上的定殖情况发现，细菌生长素能够拮抗植物ROS(ROS是有毒分子，植物利用其杀死入侵的病原体)，使细菌得以定殖。ROS在体外对B.valezensis具有高度毒性(图5A)，与ΔysnE生长素缺乏细菌相比，ROS对WT细菌的毒性显著降低(图5A)。外源IAA提高了这两种细菌的存活率(图5A)。这些结果表明，生长素能够缓解ROS对细菌的毒害作用。

为了更深入地了解生长素在细菌与ROS互作中的作用，作者检测了WT和ΔysnE细菌在加入ROS后整体基因表达的变化。发现在WT细菌中，SOS应答和DNA修复基因发生显著上调，而ΔysnE中则缺少DNA修复 (图5D和图6)。在诱导启动子IPTG的作用下，ROS解毒关键基因katA, ahpF和DNA修复关键基因recA在ΔysnE细菌中的表达显著地促进了其在根表的定殖(图5E)。

图5 细菌生长素中和活性氧毒性

图6 活性氧诱导基因在植物免疫系统反应中对寄主存活起重要作用

四、免疫系统促进细菌在根部的粘附和菌落形成

虽然ΔysnE细菌在efr2(免疫受损的植株突变体)根系上恢复了生长(图3C-D和图4E)，但这些细菌不像WT细菌对Col-0根那样粘附在根上(图3D)。有趣的是，当WT细菌定殖在efr2根上时，也出现了类似的无效粘附，其在efr2根表的定殖率显著降低(图7A-7B)，表明植物免疫反应对于细菌在根表的粘附和菌落的形成是必要的。外源IAA的加入刺激了WT细菌在Col-0和efr2植物上的定殖(图7C)，证明外源IAA可以刺激生长素感知受损的突变植物的根定殖。

图7 活性氧通过刺激生长素诱导细菌鞭毛增强根系定殖

五、植物免疫系统刺激不同细菌的根系定殖和生长素分泌

为了确定细菌生长素分泌和植物免疫是否与其他细菌以类似的方式相互作用，作者分析了多粘拟青霉(Paenibacillus Polymyxa)、节杆菌mf161以及假单胞菌wcs36551和wcs37452的定殖能力。

结果表明多粘菌以fls2(植物识别细菌鞭毛从而促发免疫机制的受体蛋白)的方式刺激植物ROS的产生(图9B)。在fls2突变植物上，多粘菌未能刺激侧根产生(图8A)，与Col-0(图8B)相比，初生根更长，免疫系统激活和ROS产生是其生长素合成所必需的前提。外源IAA进一步刺激了多粘菌在根上的定殖(图8D)。尽管它们被不同于瓦尔茨伯氏菌的免疫受体识别，其产生的生长素也能和植物免疫相互作用。节杆菌mf161是从拟南芥根中分离到的另一株革兰氏阳性生长素分泌菌。节杆菌mf161在fls2突变植株上不能促进侧根的形成，且初生根较长(图9C和图9F)。在Col-0和fls2突变植物之间没有观察到根部定殖的差异(图9G)。同样，外源IAA进一步刺激了该细菌在根部的定殖(图9H)。