【LorMe周刊】“有的放矢”——叶际代谢防御机制

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！本期周刊为您介绍叶际微生物诱导的代谢防御机制，原文于2023年发表在《Nature Microbiology》上。

导读

宿主植物与其菌群之间的相互作用可能介导宿主抗病性，但还尚不清楚植物地上部相关微生物组是如何防止病病原菌入侵的。本文提出针对水稻稻曲病（RFS）的一种以增强水稻穗部和固有菌群之间互惠互作基础的代谢防御机制。通过16S rRNA和ITS测序，抑病水稻穗部显著富集乳杆菌属和曲霉菌属等关键类群。通过初级代谢谱、宿主基因组编辑和菌群分离移植实验，揭示了富有关键类群的宿主植物以支链氨基酸（BCAA）依赖方式，促进大量H2O2产生诱导病原菌的细胞编程死亡来降低其致病性的具体防御机制。

主要结果

抑病水稻穗部形成独特的微生物群落

在RFS病情田间检测中，病原菌密度在感病和抑病品种间无明显差异。有趣的是，病原菌侵染后，宿主根际菌群无明显变化，但在抑病株系穗部出现独特菌群结构。感病株系穗部细菌群落多样性显著低于抑病株系（图1a, b），后者的真菌群落丰富度和多样性均高于前者（图1d, e）。PCoA分析揭示感病与抑病株系穗部的细菌和真菌群落发生显著变化（图1f）。绿核菌属和镰刀菌属为感病株系穗部中的优势真菌（图1g），而抗病株系穗部为曲霉属、稻黑孢属和莫氏黑粉菌属。抗病株系穗部特异富集乳杆菌和雷夫松氏细菌属（图1h）。感病株系与抗病株系的微生物共发生网络无明显变化（图1i）。因此，作者假设抗病株系穗部的独特菌群可能与宿主建立互作关系，从而影响植物的防御功能。

图1.感病和抑病株系穗部的微生物组分析

抑病水稻穗部表现独特的支链氨基酸（BCAA）特征

为探索与抑病株系穗部中独特菌群有关线索，作者重点比较了感病和抑病株系穗部的代谢谱。有趣的是，特定支链氨基酸（BCAA）如亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸在抑病株系中显著富集（图2c）。此外，作者以U.virens（后统称病原菌）毒素占比较大的Ustiloxin A（感病株系中产量升高，抑病株系中抑制产生）来表征发病程度，并进一步推导感病和抑病株系中氨基酸与发病程度的关系。结果显示，Ustiloxin A的累积与BCAAs呈负相关（图2e, f），尤其是亮氨酸。BCAAs的改变表征了与发病程度负相关的独特代谢线索，重点阐明了BCAAs、穗部菌群和防御功能之间的关系。

图2.菌群结构特异性与水稻穗部代谢谱

菌群依赖BCAA诱导防御功能

为明确穗部常驻菌群和BCAAs之间的相互作用，从抑病株系穗部分离获得2357个菌株，31个具有强抑菌能力，被鉴定为链格孢菌属、曲霉属等11个属。此外，抑病株系穗部显著富集关键类群包括链格孢菌、曲霉菌等（图3a, b）。ZJU690、ZJU60、ZJU1257等6株菌具有最大抑菌率，亮氨酸水平在关键类群定殖后显著升高（图3c）。值得注意的是，BCAA氨基转移酶基因（OsBCAT）在穗部被抑制表达（图3d）。与WT相比，OsBCAT缺陷株系穗部中亮氨酸明显增加（图3h），表明OsBCAT负调控水稻穗部BCAA水平。同时，Osbcat对病原菌抗性显著增加（图3i）。这表明，BCAAs在防御由OsBCAT负调控的病原菌侵染中发挥着重要作用。而且，与对照相比，高抑病关键类群的回补能增强抗性但对Osbcat无响应，说明水稻穗部主要菌群依赖BCAA诱导防御功能。

图3.水稻穗部BCAA、菌群和防御之间互作的机制剖析

BCAA诱导病原菌细胞功能障碍以减弱致病性

为阐明BCAAs提升防御的详细作用模式，作者研究了BCAAs抑制病原菌引发RFS的剂量依赖性作用。结果显示，亮氨酸以剂量依赖的方式抑制病原菌生长（图4a-f）。外源亮氨酸也在田间试验中表现高抗病效果，其中亮氨酸（60 克/公顷）对RFS防控效果从78%增至86%，降低了单一化学杀菌剂投入的50%。对施用亮氨酸的病原菌进行多重形态学分析，微观和宏观尺度上的病原都出现了形态学缺陷（图4h–m, 4n–r），而未施用亮氨酸时不存在相应变化（图4h, j）。亮氨酸条件下，病原菌细胞核出现浓缩染色质，说明亮氨酸介导病原菌细胞编程死亡（图4l, m）。而且，亮氨酸导致病原菌细胞死亡率为72.4%，明显高于未施加亮氨酸处理（图4u）。BCAAs的升高导致病原菌细胞功能障碍，从而防控水稻RFS。

图4.BCAA影响病原菌细胞功能障碍的特征

BCAA对病原菌细胞转录组进行重编程

RNA-seq分析亮氨酸施用后病原菌转录组，明确BCAA引发病原菌细胞功能障碍的具体机制。结果显示，BCAAs诱导511个基因差异表达，显著上调345个基因，显著下调166个基因。GO富集发现，丙酮酸代谢和抗氧化等相关功能上调，而参与跨膜转运活性、转运蛋白活性和有机酸跨膜转运的功能下调。主要参与真菌毒素生物合成、效应物、病原体-宿主相互作用等过程被抑制（图5b）。与细胞编程死亡相关的丙酮酸代谢基因（UvKm1）和抗氧化基因（Uv4ATO2）显著上调。亮氨酸处理后，病原L-氨基酸氧化酶（LAAO）基因UvLAO2与ROS产生显著增加（图5d, e）。LAAO也存在于穗部关键类群中。此外，这些关键类群在BCAA中表现正常生长和H2O2稳态，其水平与诱导病原均细胞功能障碍的水平相同。因此，作者假设病原均细胞编程死亡是由H2O2过量产生引起，其可能来源于LAAO介导BCAAs的分解代谢。

图5.亮氨酸诱导病原菌细胞功能障碍分析

UvLAO2负调控病原菌的致病性

外源H2O2处理可诱导病原菌细胞编程死亡（图5f），表明过量产生H2O2在细胞编程死亡中的重要作用，但其中具体途径还未明确。CaMCA1（变天冬酶基因）和TPS1（海藻糖磷酸合成酶基因）分别被强调为阳性和阴性标记基因，位于H2O2诱导细胞凋亡通路下游。在病原菌侵染过程中，H2O2显著上调变天冬酶基因和钙渗透酶基因，海藻糖合成基因表达被显著抑制。为研究LAAO在病原菌中的作用，与野生型相比，病原菌UvLAO2敲除导致H2O2显著减少（图5f），水稻感病程度增加，对亮氨酸的敏感性显著降低。这说明UvLAO2介导H2O2过量产生参与BCAA诱导的病原菌细胞功能障碍。总的来说，UvLAO2负调控病原菌的致病性，而UvLAO2介导H2O2过量产生是BCAA抑制穗部病原菌侵染的原因。

结论

目前对以叶际为中心的防御机制还不明确，在本文中初步地强调了隐藏在水稻穗部和土著菌群之间互惠共生中的代谢防御机制。抑病水稻穗部的常驻关键菌群通过操纵宿主穗部BCAA产生以破坏病原菌侵染。进一步地，无论是BCAA诱导的微生物菌剂开发还是外源BCAA的应用，都可为化学杀菌剂的病害防控提供一定应用前景，这可能有助于大幅减少化学杀菌剂的使用，促进农业可持续发展。

论文信息

原名：Phyllosphere microbiome induces host metabolic defence against rice false-smut disease

译名：叶际微生物诱导宿主对水稻稻曲病的代谢防御

期刊：Nature Microbiology

DOI：10.1038/s41564-023-01379-x

发表时间：2023.5.4

通讯作者：Mengcen Wang

通讯作者单位：浙江大学