谷氨酸重塑植物基因组以保护植物免受病原体侵害
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撰稿：文藝
审核：牛国庆
谷氨酸重塑植物基因组以保护植物免受病原体侵害
Glutamic Acid Reshapes The Phytobiome To Protect Plants Against Pathogens
第一作者：
Da-Ran Kim
通讯作者：
Youn-Sig Kwak
摘要
背景：植物的生理和生长受到与其相关微生物群的强烈影响。相反，植物生物群落的组成是灵活的，可响应宿主的状态，并增加了对其进行改造以使植物受益的可能性。然而，用于改造微生物群落结构的技术尚不可用。
结果：在这里我们表明，谷氨酸重塑了植物微生物群落并丰富了草莓和番茄中链霉菌的数量，链霉菌是一种功能性核心微生物，无论在地面上还是地下。施用谷氨酸后，链霉菌的种群规模在生活圈和根际中显著增加。同时，在两个生境中，镰刀菌种引起的疾病都大大减少了。与植物抗性相关的基因未激活，表明谷氨酸直接调节微生物群落，而不是激活宿主自身的保护机制。
结论：人们关于植物相关微生物群落的结构了解很多，但是对如何控制群落组成和复杂性却知之甚少。我们的结果表明，微生物群落可以被改造，并解锁谷氨酸的作用方式。
关键词：微生物群落，谷氨酸，链霉菌，植物
Background: The physiology and growth of plants are strongly influenced by their associated microbiomes. Conversely, the composition of the phytobiome is flexible, responding to the state of the host and raising the possibility that it can be engineered to benefit the plant. However, technology for engineering the structure of the microbiome is not yet available.
Results:Here we show that glutamic acid reshapes the plant microbial community and enriches populations of Streptomyces, a functional core microbe, both above and below ground, in strawberry and tomato. Upon application of glutamic acid, the population size of Streptomyces increased dramatically in the anthosphere and the rhizosphere. At the same time, diseases caused by species of Fusarium were significantly reduced in both habitats. Plant resistance-related genes were not activated, suggesting that glutamic acid modulates the microbiome community directly, rather than activating the host’s own protective mechanisms.
Conclusions: Much is known about the structure of plant-associated microbial communities, but little has been learned about how the community composition and complexity are controlled. Our results demonstrate that the microbiome community can be engineered and unlock the mode of action of glutamic acid
前言
植物微生物群落包括存在于地上和地下，植物组织内部或外部的相关微生物。自然界中的植物与各种微生物物种不停的相互作用，包括互利共生者，通过提供植物激素，固氮，增磷，促进矿物吸收和防止病原体攻击来促进植物健康和繁殖。由于植物的微生物群落在植物发育和健康起着至关重要的作用，因此保持健康的微生物群将促进农业系统的生长和作物产量。近年来，我们对与植物相关的微生物群落的了解不断扩大，涵盖了数量较少甚至无法培养的分类单元，从而使人们意识到了微生物多样性不断增加的相互作用，植物及其微生物群落的这种生态学和功能性整合被包含在整体生物中，宿主与生活在其中或周围的其他物种的组合，共同构成了一个离散的生态单元。此外，复杂的微生物种群与所有植物组织相关联，这意味着定殖的初始阶段以及随后的微生物-微生物相互作用选择性地影响微生物群落的结构，并且核心微生物群落对微生物群落的整体稳定性和宿主的适应性具有重要作用。
植物微生物研究的趋势已接近微生物工程，其目标是改善植物健康和生产力。在人或动物中，益生元可以促进它们的生长。益生元可以选择性地影响肠道微生物或通过血液移动到其它器官，直接影响动物健康，在植物系统中，生物刺激剂也发挥着类似作用，其目的是加强营养效率，非生物胁迫耐受性和/或作物品质性状。近年来腐殖酸，富里酸和海藻提取物被鉴定为生物刺激剂，增强对非生物胁迫应力，促进植物生长和改进的土壤质量，这种生物刺激物可能含有植物激素类化合物或以激活激素活性为其作用模式，但到目前为止，对生物刺激物功能的基础机制了解甚少。我们先前观察到了与草莓植物老化相一致的空心微生物群落结构的崩溃[6]。特别是，核心微生物球孢链霉菌SP6C4的多样性丧失和种群密度降低，与两种主要的花球疾病的发病呈负相关，即灰霉病(包括花瓣上的褐斑)和花枯病(枝孢霉属)。)，在花蕊和雄蕊上表现为模糊的灰色菌丝体。然后我们假设特定的植物代谢物可以被修正以重建微生物群落结构来维持植物的健康。在这里，我们提出谷氨酸融合了微生物群落并调节球形芽孢杆菌SP6C4的丰度。
主要结果
微生物群落崩溃和疾病：
草莓花中的微生物群落在整个生长季节从高多样性(第0-12周)向低多样性(第14-24周)转变，这种模式与球形芽孢杆菌SP6C4的丧失相一致，我们认为球形芽孢杆菌SP6C 4是花微生物群落的核心成员。在这里，我们重新计算了草莓花微生物种群数据，以确定前10名OTUs和整个生长季节的微生物群落多样性(图1a)。与从第14-24周开始增加的灰霉病发病率相反，第1-12周内花球群落的多样性在第14周与暴露于病原体的植物发病时间一致时崩溃(图1b，c)。这些模式表明，微生物群落结构随着植物的年龄或开花期而变化，群落的崩溃包括核心微生物种群的丧失。
植物分泌物对核心微生物的影响：
花瓣和子房样品的氨基酸、有机酸和可溶性糖的分析(图1d和附加文件1:图S1)。除谷氨酸和脯氨酸含量在灰霉病高发期显著下降外，花瓣中的氨基酸含量在低发期和高发期无显著差异。相比之下，花子房中23种氨基酸的含量没有随疾病发生率的变化而变化(附加文件1:图S1a)。与氨基酸的情况不同，花瓣和子房中可溶性糖和有机酸的含量在低病期和高病期没有区别(附加文件1:图S1b,c,d)。这些结果表明，谷氨酸和脯氨酸在维持生态圈微生物多样性和核心菌SP6C4密度方面起着关键作用。
为研究L-谷氨酸对草莓花叶灰霉病和花疫病发生的影响以及菌株SP6C4在草莓花叶中的种群密度，每隔两周对病害发生率(DI)进行评价。同时，将L-谷氨酸和L-天冬酰胺喷于草莓温室的第4周至第8周，每隔两周喷3次。无论如何处理，从第0周到第4周的灰霉病DI相对较低(10 - 16%)。6周时，未处理对照组的DI为16.6%;L-天门冬酰胺处理小区的DI为16%，而L-谷氨酸处理小区的DI显著低于L-天门冬酰胺处理小组为12.4%。在第8周，未处理对照组的DI增加到34%，但喷有L-谷氨酸的小区的DI保持在17%以下。花枯病的DI值在不同处理间差异更大。在8周时，35%的未处理对照和36%的L-天门冬酰胺处理对照花出现了病害症状，而在L-谷氨酸处理的试验田中，只有不到11%的花出现了花凋萎症状。其次L-谷氨酸是调节微生物群落的结构（图2a），未经处理的对照在8周内的微生物多样性没有显著变化，而用L-天冬酰胺处理的花显示出增加的多样性，而用L-谷氨酸喷洒的花在6周和8周具有显著较低的α多样性。
谷氨酸对土传病害的影响
对番茄枯萎病的病原菌——番茄尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici, FOL)进行了谷氨酸的防治试验。为了评估SP6C4和L-谷氨酸是否能影响该土传病害的发生，我们建立了7个实验处理:未处理对照、球形芽孢杆菌SP6C4、L-谷氨酸、FOL、SP6C4+FOL、L-谷氨酸+FOL和SP6C4+ L-谷氨酸+FOL。7周后对疾病严重程度进行0-5级评估。单用FOL处理的植株在第6周表现出严重的病害症状。对番茄根际lanM基因的qRT-PCR结果表明，不管是否存在这种病菌，SP6C4或用谷氨酸处理的植株每100 ng土壤DNA中有106个以上的lanM基因拷贝。然而，未处理的对照和只处理过FOL的植株的lanM基因拷贝少于102个，综上所述，SP6C4或L -谷氨酸成功抑制了番茄枯萎病，增强了根际lanM基因微生物的种群密度。此外，在第7周时，FOL处理显著降低了茎长和茎重，而菌株SP6C4或L-谷氨酸处理降低了伤害。
谷氨酸对番茄根际的影响
为了研究微生物群落结构随时间的变化，在处理后1、3、7和10周收集番茄根际样品，结果表明番茄根际微生物群落结构受菌株SP6C4或L-谷氨酸的影响，SP6C4丰富芽胞杆菌科，L-谷氨酸增加了伯克氏菌科在根际的富集。
谷氨酸是否通过激活草莓和番茄的诱导系统抗性(ISR)反应来抑制病害的发生
对于草莓，总共进行7种处理，包括未处理的对照、仅病原体(灰葡萄孢)、L-谷氨酸、抗生素、具有抗生素的L-谷氨酸、具有病原体的抗生素以及L-谷氨酸、抗生素和病原体（图五a），用qRT-PCR方法评价谷氨酸对植物ISR基因激活的影响。茉莉酸(JA)相关的基因LOX2和PR10在未处理的对照组或用L-谷氨酸和L-谷氨酸与病原体处理的组中不表达。水杨酸(SA)相关基因PR1和PR2的表达模式与JA相关基因的表达模式相似，这些水杨酸相关基因在未处理的对照或用L-谷氨酸或用病原体处理的L-谷氨酸中没有表达。但均在FOL、抗生素、FOL+抗生素和FOL+L-谷氨酸+抗生素处理的植物中表达。综上所述，这些发现表明，首先，植物ISR不是由L-谷氨酸激活的；第二，谷氨酸重组了根圈和根际微生物群落；第三，工程微生物群保护植物免受病原体侵害。
结论：虽然我们的结果清楚地表明谷氨酸是与植物相关微生物群落结构的一种有力介质，但关于其如何与微生物及其植物宿主之间复杂的代谢和信号交换相互作用的接口，还有很多尚待确定。近年来，在阐明与植物相关的微生物群落的结构和功能方面取得了长足的进步，但是需要新的方法来揭示如何控制群落的组成及其功能。根据这项研究的结果，我们提出谷氨酸可以通过影响作物品质和产量等农艺指标来配置微生物群落并调节核心微生物组的组成，从而使植物受益。
图一
图二
图三
图四
图五
根际互作生物学研究室 简介
根际互作生物学研究室是沈其荣教授土壤微生物与有机肥团队下的一个关注于根际互作的研究小组。本小组由袁军副教授带领，主要关注：1.植物和微生物互作在抗病过程中的作用；2 环境微生物大数据整合研究；3 环境代谢组及其与微生物过程研究体系开发和应用。团队在过去三年中在 isme J， Microbiome， PCE，SBB，Horticulture Research等期刊上发表了多篇文章。欢迎关注 微生信生物 公众号对本研究小组进行了解。
团队工作及其成果 （点击查看）
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团队成员邮箱 袁军：
junyuan@njau.edu.cn；
文涛：
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