【LorMe周刊】假单胞菌抑制植物免疫应答的机制

作者：尹悦，南京农业大学博士在读，主要研究根际微生物互作。

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！本期周刊主要为您介绍植物促生菌卡普氏假单胞菌WCS358抑制拟南芥免疫应答的机制。

论文ID

原名：Rhizosphere-associated Pseudomonas suppress local root immune responses by gluconic acid-mediated lowering of environmental pH.

期刊：Current Biology

IF：9.252

发表时间：2019/09

第一作者：Ke Yu

通讯作者：Roeland L. Berendsen

作者单位：荷兰乌得勒支大学环境生物研究所

导读

根际存在着丰富多样的微生物，包括共生菌、病原菌和有益菌。植物抵御微生物入侵的一种重要的手段就是识别MAMPs，使自身产生免疫反应。细菌的MAMP包括鞭毛蛋白、脂多糖、延长因子等，其中细菌鞭毛蛋白氨基端的22个短肽（flg22）作为MAMP能诱导拟南芥的免疫反应。研究中发现42%的被测试的根际微生物，包括植物促生菌卡普氏假单胞菌WCS358和西米假单胞菌WCS417，都有能力压制由flg22激起的拟南芥根部的免疫应答，表明这是根际微生物的一项重要功能。

发现现象

为了测试根际有益菌对由flg22激起的拟南芥免疫应答的影响，研究中在用flg22处理前18小时，预先将西米假单胞菌WCS417和卡普氏假单胞菌WCS358接种于拟南芥幼根。随后观察到，菌株WCS417和WCS358均不会诱导植物免疫系统相关基因CYP71A12_pro:GUS（用此报告基因表征免疫应答的程度）的表达，同时又均可以抑制flg22诱导的CYP71A12_pro:GUS的表达（图1）。

收集接种了WCS417和WCS358的拟南芥幼苗的根系分泌物，无菌滤膜过滤，得到的滤液同样具有抑制flg22诱导的CYP71A12_pro:GUS表达的能力，表明细菌分泌了某种具有免疫抑制能力的化合物。热处理滤液并不影响其抑制能力，排除这类物质是蛋白质的可能性。

图1  WCS417和WCS358对flg22诱导的CYP71A12_Pro:GUS表达的影响

找到相关基因

通过插入突变发现，突变pqqF或cyoB这两个基因后，菌株WCS358失去了抑制CYP71A12_pro:GUS表达的能力（图2A）。相较于野生型，这两个突变菌株在拟南芥根系分泌物中的生物量不仅没有下降，反而显著增加（图2B），表明pqqF或cyoB并不是通过影响菌株的生长使其丧失抑制植物免疫应答的能力。

同时，突变体pqqF::Tn5和cyoB::Tn5的无菌滤液也不能抑制

CYP71A12_pro:GUS的表达（图2C），表明这两个突变体合成具有免疫抑制能力化合物的能力受损了。

图2  WCS358的pqqF::Tn5和cyoB::Tn5突变体丧失了抑制免疫应答的能力

分析免疫抑制化合物

PqqF是吡咯喹啉醌（PQQ）生物合成所必需的一种蛋白酶，CyoB是泛醌细胞色素bo₃氧化酶（CYO）复合物的亚基I。PQQ和CYO在细菌葡萄糖氧化发酵中起着重要作用，影响D-葡萄糖酸（GA）和2-酮-D-葡萄糖酸（2-KGA）的合成。采用超高效液相色谱-质谱（UPLC-MS）技术分析野生型菌株WCS358及其突变体pqqF::Tn5和cyoB::Tn5，以及WCS417的培养滤液，发现两种野生型细菌均能产生GA和2-KGA（图3E），pqqF突变体完全丧失了合成GA和2-KGA的能力，而cyoB突变体合成GA的能力显著降低，且不能产生2-KGA。

这些有机酸的产生可以大大降低细胞外pH。野生型WCS358（pH3.7）和WCS417（pH3.5）根系分泌物滤液的pH值明显低于突变体pqqF::Tn5和cyoB::Tn5（pH4.2和4.3）的培养滤液（图3F），表明WCS358可以通过产生GA和2-KGA使细胞外环境酸化。

图3  WCS358和WCS417通过产生GA和2-KGA抑制植物免疫应答

随着环境pH的变化，拟南芥中flg22诱导的免疫应答的幅度变化明显。当通过添加HCl或GA调节pH至3.7时，flg22诱导的CYP71A12_pro:GUS被完全抑制了（图4）。因此可以初步推断WCS358通过产生GA等物质酸化周围环境来抑制根的免疫应答。

图4  HCl和GA调节根系pH对CYP71A12_Pro:GUS表达的影响

总结

本研究中发现植物有益微生物卡普氏假单胞菌WCS358通过合成有机酸GA和2-KGA降低环境pH从而抑制flg22诱导的植物根部免疫应答。

植物识别MAMP激起的免疫应答会对自身的生长产生不利的影响（生长-防御权衡），而根际微生物可以通过酸化环境来抑制宿主免疫应答，以促进植物在众多MAMP存在的情况下的正常生长。同时，研究发现突变体pqqF::Tn5和cyoB::Tn5在拟南芥根际的定殖能力明显受损，这表明根际微生物对植物免疫应答的抑制作用也加强了其自身在根际的定殖能力。

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