【LorMe周刊】自给自足：先天免疫的串扰以维持微生物-宿主稳态
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。
天然土壤中的植物根系定殖着大量的微生物群落，微生物个体可激发植物与微生物相关的分子模式（MAMP）免疫系统（MTI）。作者发现41%的根系共生菌抑制了由免疫刺激MAMP或损伤相关分子模式触发的拟南芥根系生长抑制（RGI）；高通量测序结果表明，这一免疫激发现象改变了合成菌群（SynComs）的结构，包括非抑制型RGI菌株。拟南芥根系定殖的不同复杂性和RGI抑制活性的合成菌群，改变了与根系发育和营养运输功能有关的174个核心宿主基因的表达。此外，通过RGI抑制型SynComs对植物预定殖（precolonization）或突变共生下调转录因子MYB15能使植物对病原假单胞菌更为敏感。本文研究表明，非抑制型和抑制型RGI的根系共生菌分别通过激发或抑制MTI反应来调控宿主对病原菌的易感性，这种互作缓减了植物免疫系统对抗病原菌扰动和防御相关的生长抑制，最终达到根系共生菌与宿主间的稳态。
研究对来自At-RSPHERE（植物相关微生物资源库，http://www.at-sphere.com/）的选定菌株进行系统发育树并使用iTOL进行可视化，利用flg22受体FLS2仅在根表皮过表达的拟南芥超敏材料pWER::FLS2-GFP（图S1）来筛选RGI抑制型根系共生菌。结果发现，151个细菌分别与flg22共培养三周后，41%的菌株会干扰RGI，主要集中在放线菌、变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门（图1a）。为了检测根系共生菌是否能够抑制由植物内源性危险相关分子模式（DAMP）引起的RGI，研究以可诱导RGI和免疫反应的DAMP Atpep1处理拟南芥野生型（Col-0）。结果发现，代表不同分类群的12种抑制型菌株保留了干扰RGI的能力，可以抑制DAMP和MAMP诱导的RGI（图S2）。其中，RGI抑制型菌株342（Caulobacter，柄杆菌属）可抑制flg22但不抑制Atpep1介导的RGI。这表明存在两种RGI抑制模式：一种干扰MAMP和DAMP诱导的RGI，另一种能被flg22受体特异性感知的RGI。
图S1 flg22超敏材料pWER::FLS2-GFP（增强RGI效应）
图S2 微生物群落成员调节Atpep1诱导的根生长抑制（RGI）
为了验证自然土壤条件下RGI抑制型微生物是否作为主导群落，作者组建了4个独立但在分类学上相似的SynComs（均有RGI抑制能力）：RGI非抑制型SynComs（NS1和NS2）和RGI抑制型SynComs（S1和S2）。结果发现，RGI主要是由flg22处理引起并被占主导地位的At-RSPHERE成员广泛抑制。进一步地，作者推测RGI非抑制型和抑制型菌株的同时出现可能反映了共生微生物需要抑制植物免疫力以平衡根系生长和防御权衡。结果发现，向非抑制型SynCom中添加不同个体抑制型菌株仅导致部分RGI抑制，表明抑制型共生微生物种类以及抑制与非抑制型的输入比例会影响RGI抑制能力。另外，为了确定SynCom如何抑制RGI，作者还测定了培养基pH、共生菌是否利用III型分泌物或靶向flg22的受体上游等。结果发现，根系共生菌通过不同的机制来抑制RGI。
图1 特异性的At-SPHERE根共生微生物抑制power::FLS2-GFP中flg22介导的RGI
为了确定植物免疫是否影响微生物群落的建立，作者重构了3组分类相似但RGI抑制能力极不相同的SynComs，进行琼脂基质的限菌试验。结果表明，无论SynCom组成和植物基因型（Col-0和pWER::FLS2-GFP）如何，根系相关细菌群落显著不同。flg22处理引起了非抑制型SynComs植物中的群落变化，而抑制型SynComs不受影响。为了剖析单个菌株对整体群落转变的贡献，作者量化了单个菌株的相对丰度（RA）。结果发现，群落中特定菌株的RA受到植物免疫的影响，可能是由于MTI的增强和/或根系结构的改变。此外，flg22处理降低了非抑制型SynComs的样本多样性，表明免疫激活可以影响特定菌株在社区环境中的分布。
图2 flg22激活免疫影响共生社区建设
尽管flg22介导的RGI与免疫激活密切相关，但其作为真正免疫输出的作用尚不清楚。接着，作者研究了在无菌（Mock）、热灭活（heat-killed）和活菌（Live）接种抑制型或非抑制型SynComs对flg22处理植物根系转录组的影响。在所有热灭活、非抑制型SynCom定殖的样品中观察到由flg22引发植物的不同免疫响应（图3a），但抑制型SynCom定殖的flg22处理没有引起显著变化。接着，对涉及flg22响应、SynCom响应或两者表达差异的基因（DEG）进行k均值聚类（图3b）。结果发现，SynCom响应簇主要富集与解毒、根系发育、养分运输和缺氧响应相关的功能。正如预期所示，部分防御相关基因如PER5、FRK1和RBOHD（70个基因；图3b）在c3基因簇中富集。然而，即使存在抑制型SynCom，在c3之外还发现了额外的防御相关DEG，并通过flg22处理上调（348个基因；图3b）。
最近的研究表明，无菌根系中的MAMP反应性受损伤诱导的PRRs的表达控制。然而，在SynComs存在下FLS2（c1簇）的持续表达表明RGI抑制不是由于FLS2下调（图3b）。作者通过在其他抑制型SynComs存在下使用定量PCR考察拟南芥根中两个flg22诱导防御标记基因的表达。结果发现，非抑制型SynCom显著诱导PER5和FRK1表达上调，而抑制型SynCom无影响，这说明非抑制型共生体刺激特定的根系免疫反应。
图3 SynCom定殖和flg22处理诱导WT Col-0植物根系转录组的变化
作者假设具有抑制型SynCom的定殖可能会使植物更容易受到机会性病原体的影响，从At-RSPHERE（植物相关微生物资源库）中鉴定了三种有害菌株。结果发现，与抑制型SynCom相比，当植物与非抑制型SynCom共培养时，致病菌的有害影响严重削弱（图4a）。最近的研究表明，天然拟南芥种群的疾病进展与细菌生物量之间存在正相关性。为了确定假单胞菌401的毒力是否与植物定殖能的增强有关，作者量化了其在pWER::FLS2-GFP上以抑制型或非抑制型SynComs预定殖的绝对丰度。与非抑制型SynComs预定殖的植物相比，已被抑制型SynComs定殖的植物明显具有更多的假单胞菌401（图4b，c）。有趣的是，这种依赖于SynCom的差异似乎仅限于根系（图4b、c）。与非抑制型SynComs定殖的植物相比，抑制型SynComs促进假单胞菌OTU5的生长，并且仅在根系中观察到这种SynCom特异性效应（图4b，c）。这些结果表明，非抑制型SynComs的预定殖激活了根免疫，这与机会性病原体的生长削弱有关，而抑制型SynComs未能提供病原体保护。
图4 特定细菌的失衡会影响植物对机会性假单胞菌病原体的易感性
自然界中的植物受到外界压力的影响，同时被多样性的微生物群落定殖，这些微生物群落通过多种机制调节植物生理，如植物激素信号。本文中，作者采用自下而上的方法来证明系统发育多样的根系共生菌可以调节植物免疫，它们在病原体的侵染下协调维持群落-宿主内稳态。RGI非抑制型和抑制型的根系共生微生物分别通过引起和减弱MTI响应，从而改变宿主植物对病原菌的易感性。这种相互作用缓解了植物免疫系统对病原体的干扰和防御相关的生长抑制，最终达到共生微生物和宿主之间的稳态。迄今为止，由共生微生物群落引起的拟南芥根转录组变化的信息仅限于单菌研究，本文表明共生群落定殖对宿主转录输出（根系发育、养分运输和解毒等）的影响极其重要。
论文信息
原名：Coordination of microbe–host homeostasis by crosstalk with plant innate immunity
译名：通过与植物先天免疫的串扰来协调微生物-宿主稳态
期刊：Nature Plants
发表时间：2021.05
通讯作者：Ruben Garrido-Oter and Paul Schulze-Lefert
通讯作者单位：德国科隆马克斯普朗克植物育种研究所