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叶际共生菌Aspergillus cvjetkovicii通过种间化学信号防御病原侵染宿主植物 Aspergillus cvjetkovicii protects against phytopathogens through interspecies chemical signalling in the phyllosphere Article, 2024-8-5, Nature Microbiology, [IF 21.0]
DOI：https:///10.1038/s41564-024-01781-z 原文链接：https://www./articles/s41564-024-01781-z 作者：Xiaoyan Fan(范小艳), Haruna Matsumoto, Haorong Xu (徐皓榕), Hongda Fang(方宏达), Qianqian Pan(潘潜倩), Tianxing Lv(吕天星), Chengfang Zhan(詹成芳), Xiaoxiao Feng(冯晓晓), Xiaoyu Liu(刘晓玉), Danrui Su(苏丹蕊), Mengyuan Fan(范梦圆), Zhonghua Ma(马忠华), Gabriele Berg, Shaojia Li(李绍佳)*, Tomislav Cernava*, Mengcen Wang(王蒙岑)* 共生是自然界普遍存在的一种生态现象，指的是两种或多种不同生物间相互依赖、相互影响的紧密关系。在植物地上部分（如叶、花等），栖息着真菌、细菌等微生物群落，它们以营养交换、信号交流等方式与植物形成共生关系，被称为叶际共生菌。共生菌与植物免疫系统共同调控植物的抗病能力。然而，目前对叶际共生菌如何调控植物抗病的认识仍较为滞后，这是植物-微生物互作领域亟待揭示的重要科学问题之一。近日，浙江大学农学院王蒙岑课题组在Nature Microbiology发表了题为Aspergillus cvjetkovicii protects against phytopathogens through interspecies chemical signalling in the phyllosphere的研究论文。该研究发现叶际共生菌与病原菌间的化学信号传递重塑了水稻的抗病性，为水稻-共生菌-病原菌三者互作机制提供了新认识，对高效利用共生菌资源防治水稻病害具有重要意义。 研究人员在长期进行的温室和大田试验中注意到，当水稻叶际共生菌群落受到破坏时，不同品种间抗病性的显著差异消失。该初步结果表明，除抗病基因外，叶际共生菌在调控水稻抗病性中也扮演着重要角色。为了深入解析该现象背后的机制，研究人员选取3种具有代表性的水稻品种（特青、日本晴和莱蒙特）开展了进一步的研究。 通过对叶际微生物群落结构的分析，研究人员发现真菌群落呈现出与水稻纹枯病抗性高度相关的变化规律，并鉴定出与抗病性显著正相关的真菌Aspergillus（图1）。通过菌株分离和筛选，研究人员成功获得了调控水稻抗病性的叶际共生真菌Aspergillus cvjetkovicii，并发现其外泌的化学小分子信号是维持其抗病性调控能力的关键所在。 利用天然产物化学、正向化学遗传学、生物信息学和分子生物学交叉的研究方法，研究人员纯化和鉴定了A. cvjetkovicii调控水稻抗病性的化学小分子信号2,4-Di-tert-butylphenol（2,4-DTBP，图2）。田间和温室试验表明，A. cvjetkovicii与2,4-DTBP不仅能降低水稻纹枯病和恶苗病的发病率，还有助于多种作物（如玉米、番茄等）抵御立枯丝核菌的侵染（图2）。2,4-DTBP能够清除立枯丝核菌、藤仓镰刀菌等病原真菌正常生长发育过程中在胞内适度积累的ROS，这一作用阻碍了转录因子bZIP与关键致病基因AMT1启动子顺式元件的正常结合，从而降低了AMT1的表达和致病力，进而阻止其成功侵染（图3）。综上，该研究成功鉴定了与水稻高度亲和的叶际共生真菌A. cvjetkovicii，阐明了其信号分子2,4-DTBP在调控水稻抗病性中的关键作用，为研发高效稳定的水稻病害生防技术提供了新资源。 图1 三种具有抗病性梯度的代表性水稻品种的叶片微生物群落特征
a, b R. solani引起的病斑在未灭菌(a)和灭菌(b)水稻叶片上的代表性图像（左侧）和定量分析（右侧）。三个代表性水稻品种（包括Lemont(LM)、Nipponbare(NB)和Teqing(TQ)）表现出不同的抗病性。比例尺1厘米。 c, d 三个水稻品种叶片真菌群落的Alpha多样性（包括Chao1指数(c)和Shannon指数(d)）。 e, f 水稻叶片微生物组中Top 30(e)和Top 10(f)的真菌属/分类群；f图中不同颜色的圆圈表示各个真菌属对应的水稻品种；相同属的真菌由外圈聚类。内圈的大小表示每个属在相应品种中的相对丰度。 g 使用DESeq2确定在三个水稻品种中富集的真菌属的差异分析。每对框内颜色的变化反映了每个属/分类群的相对丰度变化；显著性差异的值显示在根据DESeq2中的Padj分析得到的框中央（*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001）。 h 通过定量PCR对三个水稻品种中的ZJ-45菌株进行定量分析。 i ZJ-45对三个水稻品种在苗期生长的影响。不同大写字母表示基于单因素方差分析（ANOVA）和Duncan’s多重范围检验确定的显著差异（P < 0.05）。数值为平均值 ± 标准差；n = 5片水稻叶片(a, b)，n = 10株水稻(c, d, h, i)。 图2 A. cvjetkovicii调控宿主抗病性的分子的结构与生物学特征
a, b Aspergillus衍生代谢物A的质谱解析。一个峰在8.56分钟的保留时间（tR）出现(a)，伴随三个特征性碎片离子，质荷比分别为41.0、57.0和191.0(b)。 c 代谢物A的化学结构，鉴定为2,4-二叔丁基苯酚（2,4-DTBP）。 d 在三种水稻品种的叶片中检测到2,4-DTBP。 e 不同浓度的2,4-DTBP对R. solani形态的影响。比例尺1厘米。 f 对用2,4-DTBP处理后的水稻叶片上R. solani引起的病斑进行可视化。比例尺1厘米。 g 对用2,4-DTBP处理后的水稻叶片在接种R. solani 7天后的病斑进行定量分析。 h–k 评估A. cvjetkovicii（105孢子/毫升）和2,4-DTBP（100 μg mL−1）对不同作物R. solani感染的保护效果，包括黄瓜(h)、玉米(i)、大豆(j)和番茄(k)。化学杀菌剂Fludioxonil作为阳性对照。 l, m 2021年(l)和2022年(m)在水稻田中进行的A. cvjetkovicii（105孢子/毫升和2,4-DTBP（400 g L−1 SC，225 g ha−1）的病害控制效果评估。化学杀菌剂Tebuconazole作为阳性对照。柱状图上方不同的大写字母表示使用ANOVA和Duncan多重范围检验确定的显著差异（P < 0.05）。数值为平均值 ± 标准差；n = 5片水稻叶片(g)，n = 3个实验地块(h–m)。 图3 叶片微生物组驱动R. solani致病性转录开关的示意图 a 酵母单杂交分析候选转录因子结合RsAMT1启动子的能力。 b 效应子和报告子构建体的示意图。将RsbZIP、acu-15和TRA1-A构建到效应子载体中，将RsAMT1构建到荧光素酶报告载体中。 c 使用双荧光素酶分析候选转录因子对RsAMT1启动子的调控效果。空载体（SK）加启动子作为校准器。使用双尾非配对Student’s t检验测试差异显著性。示值为均值 ± 标准差，n = 5（烟草叶片）。 d 荧光素酶成像分析。第一行示意图显示不同组合在N. benthamiana叶片上的位置。第二和第三行的彩色区域表示在有/无2,4-DTBP处理（20 μg ml−1）条件下转录因子与AMT1启动子之间的相互作用。 e 真菌致病性的转录开关机制示意图，该机制由稻叶上的Aspergillus缺陷/优势微生物群驱动。 Fan, X., Matsumoto, H., Xu, H. et al. Aspergillus cvjetkovicii protects against phytopathogens through interspecies chemical signalling in the phyllosphere. Nat Microbiol (2024). https:///10.1038/s41564-024-01781-z 浙江大学为第一和主通讯作者单位。范小艳博士（现为中国科学院分子植物科学卓越创新中心在站博士后）为第一作者，王蒙岑教授为最后通讯作者，李绍佳副研究员和英国南安普敦大学Tomislav Cernava副教授为共同通讯作者。浙江大学马忠华教授和德国波茨坦大学Gabriele Berg教授对研究给予了大力支持。该研究得到国家自然科学基金（区域重点、优青）、国家重点研发计划等资助。 王蒙岑，博士，教授，博士生导师。入选浙江大学第二期高层次人才培育支持专项计划、浙江大学求是青年学者、日本“全球农科前沿研究计划”北海道大学咨询委员。兼任作物病虫害生物防控技术浙江省工程研究中心副主任、浙江省分析测试协会色谱与质谱分析专业委员会委员、Crop Health执行主编、Fundamental Research青年编委、植物保护学青年编委、农药学学报青年编委会副主任和常务青年编委、植物病理学报青年编委等，担任Nature Microbiology、Nature Plants、Nature Food、Nature Communications、Microbiome、New Phytologist、Science Bulletin、FEMS Microbiology Ecology等国际主流学术期刊审稿人（ORCID主页：https:///0000-0001-7169-6779）。 浙江大学农学院王蒙岑课题组长期致力于水稻-共生菌-病原菌互作机制研究与应用技术创新，先后承担国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省自然科学基金等13项科研项目，发现了共生菌参与调控水稻抗病性的关键分子机制，构建了水稻抗病共生菌资源挖掘和精准设计平台，研发了基于水稻共生菌的生防制剂及病害防治技术并推广应用，为高效利用共生菌资源突破植物病害生防瓶颈奠定了坚实基础。研究成果获国家发明专利授权7项，在Nature Microbiology、Nature Plants、Nature Food等知名学术期刊发表论文84篇，其中封面论文7篇、全球前1‰热点论文1篇、ESI高被引论文6篇、F1000三星最高推荐1篇，多篇被Nature、Science、Nature Reviews Microbiology、Nature Plants等遴选为研究亮点并发表评论报道。先后获中国农学会“青年科技奖”、全国农药学科“优秀中青年科技工作者奖”、2019-2023年度浙江省“植物保护技术推广先进个人”等荣誉。
因工作需要，课题组现招聘博士后2名（植物免疫、作物育种、生物农药等方向优先考虑），有意应聘者请联系wmctz@zju.edu.cn。 本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编（微信号：yongxinliu 或 meta-genomics）
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