作者：田秘密，南京农业大学博士在读，主要研究植物激素代谢调控根际免疫
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！本期周刊为您介绍NADPH氧化酶对叶片微生物稳态调控机理的研究论文，原文于2022年发表在《Nature Microbiology》上。多样的微生物群落定殖在植物体上，并影响植物的健康和适应性。目前尚不清楚植物如何塑造其叶片微生物群以及植物免疫系统在此过程中所扮演的角色。本研究将宿主免疫成分与细菌群落的组装联系起来，检测了植物免疫相关基因的突变株系与微生物群落之间的相互作用。结果发现，许多拟南芥免疫突变体的细菌群落组成发生改变，并证明了免疫相关的NADPH氧化酶RBOHD在塑造叶片微生物群中的关键功能。最后，本文还探究了宿主和个体群落成员之间的互作及其在植物健康和群落组成中的作用。以拟南芥和At-LSPHERE（从拟南芥中分离出的200多株能抵御细菌病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000的细菌集合）基因组测序菌株收集的细菌构建合成群落（SynCom），由222或223个菌株组成（SynCom-222或SynCom-223），代表At-LSPHERE的最大基因组多样性。这些SynCom接种于无菌培养10天的拟南芥幼苗，并在5.5周收取其地上部，通过16S rDNA扩增子测序检查细菌群落（图1a）。如图1b，Col-0叶际微生物群落结构包括α变形杆菌（36%）、β变形杆菌（30%）、γ变形杆菌（2%）、放线菌（19%）、拟杆菌（12%）和厚壁菌（0.0005%）。与叶际相比，叶内层γ变形杆菌相对丰度更高。qPCR对细菌丰度进行量化，发现叶内层的定殖减少。同样，叶内层中回收的每克鲜重的菌落形成单位（c.f.u.）比叶际低约1000倍（图1c）。菌株相对丰度的分析表明，一些细菌在叶内层中显著富集或减少（图1d）。图1 At-LSPHERE细菌群落在拟南芥叶际和叶内层的表征
为确定影响叶际细菌群落组成的宿主遗传因素，在免疫系统不同部分缺陷的拟南芥突变体包括参与模式触发免疫（PTI）、效应触发免疫（ETI）和防御相关植物激素的免疫信号等进行测试。以SynCom-222接种Col-0和不同突变体，16S rDNA测定其群落组成。结果发现，拟南芥突变体rbohD（缺乏质膜定位的NADPH氧化酶呼吸爆发氧化酶同源物（RBOH）D）对内生群落产生的影响最大（图2a-c）。PTI信号传导缺陷的基因型中，rbohD的影响大于其他模式识别受体缺陷的基因型。植物激素生物合成或感知受损基因型的影响程度在jar1（JA信号传导）和ein2（ET信号传导）之间。四重突变体min7fec（mfec）和min7bbc（mbbc）以及高水杨酸水平的超免疫基因型cpr5和cpr6也影响群落组装。以上这些突变体参与了叶内层的细菌微生物群的稳态，叶际中也存在相同效应。rbohD微生物群落变异性在所有SynCom中均高于Col-0（图2e）。在较高分类学水平，bbc、mffi、cpr5、jar1和fer中的相对丰度较Col-0也发生显著变化（图2d）。总体而言，基因型对叶内层和叶际的细菌群落均有显著影响。图2 植物基因型对叶内层微生物群落的影响
rbohD对叶内层微生物群落存在较大影响（图2a），由此进一步地检查了RBOHD对微生物群的影响。rbohD接种SynCom-137后出现明显的感病症状（图3a），其生物量也随之降低（图3b）。与Col-0相比，大多rbohD株系中γ变形杆菌（黄单胞菌Leaf131、沙雷氏菌Leaf50和Leaf51、假单胞菌Leaf83等）、α变形杆菌（鞘脂菌Leaf26）和两个放线菌（血杆菌Leaf3和微杆菌Leaf161）的相对丰度均显著增加（图3c）且为叶内层的高度定殖者之一（图3d）。值得注意的是，相同的菌株始终在rbohD植物富集，而且大部分菌株在rbohD的叶内层和叶际中均有增加（图3c）。为研究rbohD中的感病现象是否伴随着细菌丰度的增加，作者评估了叶际和叶内层中的细菌丰度。与Col-0相比，细菌总丰度在rbohD中没有显著增加，这与之前植物病理学研究一致。与其他PTI突变体相比，rbohD对叶内层群落分布和单菌的影响更大（图2a）。RBOHD、RBOHF在ROS产生和抗病性中发挥作用，测试其双敲除突变体rbohDrbohF，发现它对SynCom-137的影响比rbohD还大。与其他PTI相关基因型相比（图2a），rbohD和rbohDrbohF在NADPH氧化酶的免疫信号通路中起着核心作用。这些结果表明，群落结构的改变引起rbohD的生态失调。图3 rbohD表现生态失调并富集γ变形杆菌
研究选择了系统发育多样的物种与rbohD特异富集的菌株，测试其是否引起ROS爆发。结果发现，大多数rbohD富集菌株和其他菌株会触发ROS。测试rbohD中SynCom的致病因子发现，SynCom-137存在28个致病菌株，黄单胞菌Leaf131感病最为严重（图4a，b）。虽然rbohD在接种两株黄单胞菌Leaf131或Leaf148后患病或死亡，其细菌提取物均诱导ROS爆发（图4c）。黄单胞菌Leaf131以灌施土壤的方式作用于Col-0和rbohD植物，rbohD有轻微的感病症状（图4d）。结果表明，Leaf131和Leaf148是机会性致病菌，在免疫功能低下的rbohD植物中发挥其致病潜力。拟南芥RBOHD的激活是通过受体样细胞质激酶的N端磷酸化发生，本文还探讨了RBOHD磷酸化位点是否与微生物群诱导发病有关。与各自的对照相比，SynCom-137导致rbohD和rbohDrbohF的生物量显著降低，磷酸化位点突变体的生物量也在较小程度上降低（图4b）。与对照Col-0、rbohD / RBOHD和rbohDrbohF / RBOHD相比，分别接种黄单胞菌Leaf131和Leaf148引发植株感病，并降低rbohD和两个磷酸化位点突变体植株的平均生物量（图4b)。以上数据强调了RBOHD及其通过免疫相关磷酸化位点对植物健康在机会性黄单胞菌病原体定殖和微生物群稳态中的重要性。图4 黄单胞菌Leaf131和Leaf148是rbohD中的机会性病原体
由于rbohD中黄单胞菌Leaf131的富集（图3c、d）及其表型（图4a），探索了机会性致病菌是否足以解释群落环境中的表型并推测关于植物免疫和微生物群对植物健康的相对贡献。与仅在rbohD中的无菌对照植物相比，SynCom-137降低植物生物量（图5），证实了SynCom导致rbohD感病的结果（图3a）。黄单胞菌Leaf131对rbohD有害，并降低Col-0和rbohD/RBOHD生物量，证实了其致病潜力（图4）。通过组装SynCom-REPI模拟rbohD中的生态失调群落现象，由rbohD表型或富集的32株菌株组成（图3c）。SynCom-REPI严重降低了rbohD生物量并对Col-0有轻微的影响。当从SynCom-137中移除Leaf131或所有SynCom-REPI成员时，Col-0和rbohD之间的生物量差异消失（图5）。黄单胞菌Leaf131也是REPI菌株的一部分，假设它是rbohD致病的原因。结果与之前相同，黄单胞菌Leaf131主导了对SynCom诱导的rbohD感病现象。值得注意的是，多样化的细菌群落可以减轻机会病原体黄单胞菌Leaf131对免疫功能低下的rbohD的不利影响。然而，维持植物健康需要RBOHD（图5）。图5 黄单胞菌Leaf131导致rbohD生态失调
微生物组的功能扩展了植物适应环境的能力。植物必须具备识别病原体的能力并对其进行防御反应，同时定殖于根系的微生物群也可能触发免疫并提供间接植物保护。因此，必须平衡植物免疫以适应微生物群。新的研究证据表明，植物免疫系统对根际和叶际的细菌微生物群具有显著影响，但目前对于微生物群感知和结构所涉及的特定宿主因素及其背后的分子机制的理解是有限的。在本研究中，通过使用反向遗传筛选，发现了多种影响细菌叶片群落组装的植物免疫突变体，揭示了NADPH氧化酶RBOHD在预防叶片微域中微生物群落结构失调方面的关键功能，还强调了共生微生物群与功能性免疫系统在控制机会性病原体中的重要作用。论文信息
原名：The plant NADPH oxidase RBOHD is required for microbiota homeostasis in leaves
译名：植物NADPH氧化酶RBOHD是叶片微生物群稳态所必需的
期刊：Nature Microbiology
DOI：10.1038/s41564-021-00929-5
发表时间：2021.07
通讯作者：Julia A. Vorholt
通讯作者单位：苏黎世联邦理工学院
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
