【LorMe周刊】病原菌介导的植物内生微生物抑病功能激活 / 开普饭

作者：汪宁祺，南京农业大学博士在读，主要研究土壤抑病性的构建与形成机制。

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！本期周刊为您介绍病原菌突破根际侵染植物后植物如何抵抗病原菌。原文来自发表在Science上的文章《Pathogen-induced activation of disease-suppressive functions in the endophytic root microbiome》。

摘要

植物体内的微生物可以促进植物的生长和健康，但它们的基因组和功能多样性依然有待探索。本文通过宏基因组学和网络分析，发现植物根受真菌感染后在根内富集噬几丁质菌和黄杆菌以及噬几丁质酶基因、编码非核糖体肽合成酶(NRPSs)和聚酮合成酶(PKSs)的各种未知的生物合成基因簇。在进行了菌株水平的基因组重建后，作者设计了一个由噬几丁质菌科和黄杆菌科组成的能够持续抑制真菌根病的联合体。定点诱变表明，一个之前未鉴定的黄杆菌NRPS-PKS基因簇对植物内生菌群联合抑病至关重要。本文的研究结果表明植物根内生的微生物群落具有丰富的功能特性，这些特性可以由内而外的保护植物。

噬几丁质菌科和黄杆菌科与抑病表型相关

将甜菜分别种植于感病（C）和抗病（S）土壤中并分别设置添加病原菌处理组（+R）与未添加的对照组（图1）。接种病原菌的抑病土发病率为15%-30%，感病土中发病率则上升到80%。种植四周后调查三种土壤条件下（C,S,S+R）的根内生微生物的分类多样性和功能潜力。宏基因组和网络分析表明病原菌接种到抑病土后虽然成功定殖但并未造成发病。16s rRNA数据则表明植物内生性群落中变形菌门和黄杆菌门占主导地位；相比抑病土壤（S），接种病原菌后（S+R）部分分类单元的细菌开始富集（图2）。网络分析表明，接种病原菌的抑病土80%的交互节点属于Chitinophaga，Flavobacterium和Pseudomonas。当移除以上黄杆菌门的序列后，感病土和抑病土的内生信号难以区分，表明黄杆菌门的噬几丁质科（Chitinophaga）和黄杆菌科（Flavobacterium）与抑病表型相关。

图1 试验设计示意图

图2 基于宏基因组数据提取的16s rRNA序列表明S与S+R的群落差异。圈由大到小分别表示门、纲、科、属水平

内生微生物群落的功能多样性

通过基因注释对比S与S+R的功能基因，作者发现402个功能基因在S组中显著富集。S+R组中部分“碳水化合物转运和代谢”与“信号转导机制”基因富集超过10倍（图3），同时这些基因高度相关的微生物在S+R组中显著增加。大部分增加的基因（3138/4443）与Chitinophaga和Flavobacterium相关。

图3 最小的圆代表COG类别组。圆的大小代表差异分类和功能的相对丰度。S（绿）和S+R（蓝）代表差异显著(FDR < 0.1)的细菌类群或功能，不重要的分类和功能用黄色表示

为更详细了解COGs中G和Q的细节，作者进一步查找数据库并通过hhsearch算法构建蛋白的相似性网络，发现S+R组中糖苷水解酶和糖基转移酶相对丰度更高并且与抑病性相关（图4）。S和S+R的CAZyme组成中三个科的细菌有显著差异，分别为Chitinophaga、Burkholderiaceae和Xanthomonadaceae。

图4 植物内生微生物中碳水化合物激活酶的多样性和分布

抑病微生物组合的重建及功能分析

作者选择7株菌进行定殖并进行BGCs分析，所有菌株都能在甜菜的根际和根内定殖。转录分析表明接种真菌病原体的植物根际和体内几丁质酶的表达显著升高（图5）。四个黄杆菌基因簇中，BGC298在植物受到侵染体内表达量相比根际显著较高（图5B）。

图5 抑病联合体的转录和功能分析。通过荧光定量PCR对根际和根内的四个基因簇及几丁质酶基因进行表达量分析。使用Log RQ展示表达量，低于0表示BCG相对于管家基因glyA表达量下调

Chitinophaga和Flavobacterium位于抑病土壤生长植物功能网络的中心位置，它们定殖植物体内的能力以及联合体中BGC298和几丁质酶的表达由真菌病原菌介导，以上证据表明Chitinophaga和Flavobacterium在抑病过程中起重要作用。作者接下来进行三个独立的实验验证这一假说，结果表明Chitinophaga和Flavobacterium组合的抑病效果最好（图6A,B）。为确定黄杆菌科BCG298在抑病中发挥的作用，作者使用了2个敲除BCG298基因的Fl98突变体Fl98-1和Fl98-2，结果表明其抑病效果降低，与噬几丁质属菌株配对后的菌群组合抑病效果也降低（图6C）。

图6 抑病联合体的转录和功能分析。A，B三株Chitinophaga和四株Flavobacterium单独及组合对甜菜发病率的影响；C 敲除BCG298基因的Fl98突变株加入试验后对甜菜发病率的影响

总结

先前对土壤抑制真菌病害的研究发现根际细菌是第一道防线。如果病原体突破第一道放线就会遇到植物的基本防御和介导防御机制。本文中，作者证明了病原菌入侵根际的第二阶段，内生菌可以提供额外的保护。本研究的结果强调了植物跟内菌群丰富的种类和功能特性，我们可以采用宏基因组引导分析和网络分析定位特定类群和功能，从而针对性地设计微生物群，获得特定的微生物相关植物表型。

论文ID

原名：Pathogen-induced activation of disease-suppressive functions in the endophytic root microbiome

译名：病原菌介导的植物内生微生物抑病功能激活

期刊：science

发表时间：2019.11

作者：Victor Carrion

作者单位：莱顿大学莱顿生物研究所

▼

作者专栏

▼

【LorMe周刊】微生物多样性驱动植物生长与土壤健康——1+1＞2效应

【LorMe周刊】如何通过控制共进化动态管理抑病性