【原】有益微生物如何逃避根系免疫相关研究还处于起步阶段

微生信生物 2022-09-09 发布于北京

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写在前面：

有益微生物和病原菌一样都会逃避，或者防止植物免疫过程，这似乎是大部分微生物的本能。目前有益微生物和植物互作研究较多的微生物主要集中在，丛植菌根，根瘤菌，部分芽孢杆菌，部分假单胞菌。

文献题目：有益微生物能够逃避植物根系免疫

DOI：doi.org/10.1111/pce.13632

第一作者：Ke Yu

通讯作者：Roeland L. Berendsen

关键词：逃避宿主免疫，植物免疫，植物微生物群，根际，土壤微生物学

研究背景：

土壤是地球上最密集和多样的微生物种群栖息地之一。植物根系生长在土壤中，与大量微生物密切相关。根系及其相关微生物群之间的复杂相互作用是植物健康的重要决定因素。土传病原菌会影响植物生长，而植物也会与促生菌形成联系。这种有益于植物的微生物可以帮助植物吸收养分、增强抗逆性。此外，有益微生物可以通过拮抗病原菌和竞争生态位或刺激植物的免疫系统来保护植物免受病原体的侵害。有益微生物包括与豆科植物共生的根瘤菌和大多数与陆生植物相关的菌根真菌，以及有益于广泛植物的根际促生细菌(PGPR)和根际促生真菌(PGPF)。与病原菌一样，有益微生物同样需要逃避或抑制根系免疫反应，以便与宿主建立互惠关系。然而，越来越多的证据表明，非侵入性、游离的根微生物群落也会干扰宿主免疫系统。

植物已经进化出一种复杂的免疫系统来检测和应对潜在的入侵者。在植物中，细胞表面定位的模式识别受体(PRR)可以通过识别微生物相关分子模式(MAMP)来检测周围的微生物，MAMP通常是许多微生物共享的保守分子。在过去二十年中，许多MAMP，如鞭毛蛋白、伸长因子Tu(EF-Tu)、冷休克蛋白(CSP)、脂多糖(LPS)、几丁质、诱导蛋白和类Nep1蛋白，已在各种植物病理系统中与其同源PRR进行了表征。MAMP被识别后，PRR招募调节性受体激酶，形成PRR复合物，通过受体细胞质激酶激活多层免疫信号级联。MAMP触发免疫(MTI)激活的免疫信号在消除潜在致病性感染中发挥作用。离子(H⁺和Ca²⁺)内流和活性氧(ROS)的爆发是免疫信号激活后植物组装发生的两种典型反应。免疫信号通过激活Ca²⁺依赖性蛋白激酶(CDPK)和丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)级联进行转导，这些级联引发植物防御相关基因的下游转录调节，导致胼胝质沉积、抗菌化合物积累、细胞凋亡和防御激素调节。两种主要的防御激素水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)形成了一个复杂的调节网络，以微调植物免疫稳态。其他激素如生长素、乙烯、脱落酸、细胞分裂素、油菜素类固醇和赤霉素也与水杨酸和茉莉酸调节的防御途径相互作用，共同协调免疫信号网络。

研究内容：

结果一：根中微生物逃避并抑制PRR信号

成功侵染植物的病原菌可以利用毒性因子干扰免疫信号，以促进侵染过程。由于MAMP是许多微生物成员共享的保守分子，因此，在植物PRR的选择压力下，很可能所有植物定植微生物、病原体和共生生物在协同进化过程中都已进化出了应对宿主免疫激活的策略。到目前为止，已经描述了有益微生物避免激活植物免疫系统的几种机制。在以下章节中，我们将介绍有益微生物逃避PRR介导的免疫识别或干扰后续免疫信号过程的示例。

1.1 逃避质外体的识别

1.1.1 趋异性MAMP的进化

图1a 有益微生物可以通过进化不同的MAMP或掩盖过量MAMP的存在来逃避PRR识别

鞭毛是负责细菌运动的重要细胞器，而鞭毛蛋白单体是细菌鞭毛的组成部分。拟南芥PRR FLS2可以通过结合免疫原性flg22表位识别鞭毛蛋白，该表位是蛋白质N端22个氨基酸的高度保守序列。只有当植物糖苷酶解除了保护肽的糖基化作用后，才能使flg22用于识别。在共同进化的驱动下，鞭毛蛋白序列的变异使某些致病细菌也能够逃避免疫识别。在百脉根中，来自共生体百脉根慢生根瘤菌的纯化鞭毛蛋白未能激活免疫应答(图1a)，而绿脓杆菌常用的flg22表位能诱导典型的免疫反应，如乙烯生成、MAPK激活和防御相关基因表达，表明百脉根中的FLS2受体同系物也具有类似功能。在内生PGPR伯克霍尔德菌和葡萄藤形成的有益关联中也观察到类似现象(图1a)。葡萄藤FLS2受体能够差异识别出源自伯克霍尔德菌的flg22表位，与来自致病细菌绿脓杆菌和野油菜黄单胞菌的flg22表位诱导的免疫反应相比，该表位的免疫反应强度显著降低。已知，拟南芥可以通过同源的模式识别受体FLS2和EFR识别细菌MAMPs鞭毛蛋白和EF-Tu，而这种植物物种对CSP没有反应，因为它不能识别出同源的PRR核心。这可能解释了为什么健康的拟南芥根微生物群的亚基因组中编码CSP非免疫原性表位的基因比例比编码鞭毛蛋白和EF-Tu免疫原性抗原表位的高4-10倍。这些结果表明，植物可以通过PRR的功能主动选择其微生物组的成员，而许多土传微生物能够逃避PRR介导的免疫识别，以便与宿主植物形成关联。

1.1.2 MAMP被过量隐藏

致病微生物和有益微生物都隐藏某些免疫原性MAMP的存在。AprA是一种细胞外碱性蛋白酶，由致病细菌铜绿假单胞菌和丁香假单胞菌分泌。AprA降解鞭毛蛋白单体，从而阻止哺乳动物和植物对鞭毛蛋白的免疫识别(图1a)。AprA同源物存在于多种细菌物种中，其中许多对植物有益，包括固氮根瘤菌和促进植物生长的假单胞菌。几丁质是真菌细胞壁的主要组成部分，它被各种宿主中同源PRR识别后会触发免疫反应。然而，真菌病原菌叶霉菌分泌的两种凝集素型几丁质能结合效应子Avr4和Ecp6，增强真菌细胞壁抵抗植物几丁质酶水解，并阻止植物PRR CERK1对几丁质的免疫识别(图1a)。在PGPF 印度梨形孢定植大麦和拟南芥根系的过程中，发现了类似的机制(图1)。β-葡聚糖是一种真菌细胞壁成分，在被非特征PRR复合物识别后可触发免疫反应。印度梨形孢产生一种称为真菌特异性β-葡聚糖结合凝集素(FGB1)的小分泌蛋白(SSP)，它可能通过与β-葡糖的高亲和性来增加真菌细胞壁的完整性，并干扰宿主免疫识别(图1a)。这表明，与病原体一样，有益微生物也进化出了隐藏MAMP的功能，以逃避宿主植物的识别并避免植物免疫系统的激活。

1.2 细胞质免疫信号的抑制

图1b 有益微生物可以通过分泌效应物干扰不同的宿主免疫信号成分

病原体可以使用例如细菌III型分泌系统(T3SS)或真菌和卵菌的感染结构将效应蛋白递送到植物细胞中。这些效应蛋白可以靶向MAMP识别后引发的植物免疫信号的各种成分。与植物病原体一样，有益微生物也利用多种效应蛋白抑制植物免疫激活。T3SS存在于许多有益的根际细菌的基因组中，包括根瘤菌和假单胞菌(图1b)。许多有益真菌的基因组也具有大量编码效应型分泌蛋白(SSPs)的基因，在根定植过程中高度表达(图1b)。这表明，根微生物群的非致病性成员也通过传递免疫抑制效应分子积极干扰植物免疫信号。

1.2.1 消除ROS爆发

根瘤菌T3SS效应子被称为结瘤外蛋白(Nops)，主要在结瘤的调节或宿主特异性测试中发挥作用。尽管如此，一些Nop效应子在抑制PRR介导的免疫信号中具有直接作用(图1b)。活性氧在PRR介导的MAMP识别后几分钟内产生，并作为植物免疫中的重要信号分子发挥作用。NopM是费氏中华根瘤菌菌株NGR234分泌的一种效应子，对扁豆的正常结瘤至关重要。而在烟草中，发现NopM能抑制flg22诱导的活性氧爆发(图1b)。

另一个例子是印度梨形孢的效应子PIIN_08944，能促进拟南芥和大麦根系的真菌定植。PIIN_08944的过度表达显著降低了大麦中flg22/几丁质诱导的ROS爆发(图1b)。这表明，有益微生物传递的效应物可以通过消除活性氧爆发而有效干扰植物免疫。

1.2.2 针对MAPK级联

MAPK级联控制许多下游免疫信号事件，是许多病原体效应子的目标。MAPK级联似乎也被有益微生物作为靶标(图1b)。例如，来自NGR234的效应子NopL在植物中的表达抑制了烟草中致病相关防御蛋白的表达。此外，NopL可防止MAPK编码基因SIPK过度表达诱导的细胞死亡。通过模拟MAPK磷酸化底物，NopL在细胞核中被SIPK多重磷酸化(图1b)。这可能会抑制防御调节相关基因表达的其他天然MAPK底物的磷酸化，最终导致免疫信号中断。通过干扰宿主MAPK级联，有益微生物因此可以阻断免疫信号转导和下游免疫应答的激活。

1.2.3 激素信号的调节

在植物-微生物相互作用过程中植物使用激素来微调免疫稳态，许多病原体进化出截断激素信号通路的效应子。有益微生物也能靶向激素信号通路，抑制根系免疫反应，并促进其与宿主植物的关联(图1b)。例如，丛枝菌根真菌分泌效应子SP7，其与JA/乙烯诱导型ERF19转录因子直接作用，并阻止防御相关基因的表达(图1b)。外生菌根真菌双色蜡蘑菌隐藏了MiSSP7效应子，以促进与杨树建立互惠共生关系。MiSSP7防止JA诱导的JAZ6(一种对JA诱导基因起负调节作用的蛋白质)降解，因此抑制JA介导的免疫应答，如细胞壁修饰(图1b)。此外，印度梨形孢的PIIN_08944效应子能抑制拟南芥中flg22诱导的SA标记基因CBP60g的表达(图1b)，该基因编码一种转录因子，通过调节关键生物合成酶异氰酸合酶1来产生SA。总之，有益微生物通过各种免疫抑制剂(如效应蛋白)靶向MAMP识别时引起的多种信号成分，抑制根系免疫反应。

1.3 免疫和共生信号之间的相互作用

图1c 共生微生物产生的共生相关分子可抑制根系免疫

除MAMP外，共生微生物还产生不同类型的共生相关分子，可被宿主共生受体识别并引发共生信号。许多这些共生分子与MAMP非常相似。例如，宿主植物中的同源受体可以识别根瘤菌的Nod因子和真菌的Myc因子，并引发根瘤菌或丛枝菌根共生过程。许多来自有益微生物的共生分子似乎抑制了MAMP触发的根系免疫反应(图1c)。慢生型大豆根瘤菌可以强烈抑制大豆和拟南芥中各种MAMP诱导的免疫反应，这可能是细胞膜上同源PRR蛋白水平显著降低的结果(图1c)。同样，根瘤菌的LPS是与豆科植物成功建立共生关系的必需物质。然而，尽管在非寄主植物烟草中诱导了强烈的ROS爆发，但苜蓿中华根瘤菌的LPS不仅抑制早期免疫反应(如ROS爆发)，而且还抑制蒺藜苜蓿后期防御相关基因的转录(图1c)。除了在建立共生关系中的作用外，来自苜蓿中华根瘤菌的胞外多糖(EPS)还可以通过与钙离子的螯合作用阻断flg22诱导的钙流入(图1c)，从而抑制下游免疫反应。上述发现表明了共生分子在抑制免疫反应中的作用，但需要更多的研究来理解复杂的免疫-共生相互作用。

结果二：非侵入性有益微生物对植物免疫的调节

图2 非侵入性有益微生物介导的根系免疫逃避和抑制的示意图

根瘤菌细胞在豆科根瘤中进行细胞间分化，菌根真菌的菌丝能穿透宿主根形成共生结构。在自然界中，植物还与在根际定植的有益微生物形成多种有益关联。研究表明，根系PRR FLS2在细菌感染部位和拟南芥根的内生细胞层显示出组织和细胞类型特异性的高表达水平。此外，发现在MAMP感知时，根的维管束鞘细胞的免疫反应比其他组织更强。这些研究表明，根外部细胞免疫功能的低敏感性能使免疫系统脱敏，以防止植物对微生物密集的土壤环境发生过度反应。有益的根际微生物，如PGPR WCS417和枯草芽孢杆菌FB17可以积极抑制根系免疫反应(图2)。在拟南芥根中，热灭活的WCS417细胞和其中的flg22肽均可激活免疫应答，激活程度与铜绿假单胞菌的flg22相同。而有活性的WCS417细胞抑制了由flg22触发的50%以上的根系免疫应答基因的表达。最近的证据表明，有益假单胞菌通过产生降低环境pH的有机酸抑制flg22诱导的根系免疫。枯草芽孢杆菌FB17还抑制拟南芥根系中flg22诱导的免疫反应，但其作用依赖于JA(图2)。与免疫系统受损的植物根际相比，油菜假单胞菌 WCS365在野生型植物根际中适应性更强。其中缺失morA基因和spuC基因的突变体在拟南芥根中诱导了MAMP触发免疫。这两种基因似乎都能阻止根上密集的生物膜形成，从而防止强烈识别和逃避防御激活(图2)。这表明，根系免疫系统影响根际微生物(图2)。

研究表明，SA依赖性防御信号被破坏的拟南芥突变体的根微生物群发生改变。但SA依赖性信号主要调节根系内生微生物群的组成，根际微生物群受影响较小。此外，施用外源JA后对微生物群落组成的影响因根室不同而不同，内生微生物群受影响最大。已证明微生物病原菌和昆虫对植物免疫系统的激活会导致几种根际微生物群落发生变化。同样，根际微生物群落的改变可能与响应免疫系统激活后的根系分泌物的改变有关。总之，这些发现表明，尽管植物免疫系统的筛选功能可能因不同的根室而不同，但免疫系统的影响确实延伸到根际。