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撰文 | 常道

责编 | 奕梵

植物根部处于复杂的土壤环境中,被众多的微生物包围,根据细菌对植物生长发育和健康的作用,主要分为病原细菌 (有害) 、益生细菌 (有益) 和中性细菌 (无明显作用) 【1,2】 。植物面对细菌时,第一个分子层面的反应是激活其免疫系统,宿主植物利用细胞表面的受体与细菌的微生物相关分子模式 (MAMPs,主要包括鞭毛、肽聚糖、伸长因子等) 相互识别,早期阶段会引起钙离子的泄露和活性氧 (ROS) 爆发,同时伴随着免疫相关蛋白的磷酸化,随后免疫信号向下游传导 【3-7】 。植物免疫系统的识别和激活在病原细菌中的研究已经比较深入,然而健康植物根系周围微生物群落和植物免疫系统的相互作用研究相对较少,特别是有益菌对植物免疫系统的反应需要进一步探究 【8-10】 。

近日,美国杜克大学Philip N. Benfey团队在免疫学顶级期刊Cell Host & Microbe杂志发表一篇题为Plant immune system activation is necessary for efficient interaction with auxin secreting beneficial bacteria的研究论文,发现植物免疫系统的激活有助于有益菌的根部定植。

本研究中,研究人员通过观察野生型芽孢杆菌和生长素缺陷突变体菌株在拟南芥根部定植的情况,发现分泌生长素是细菌在植物根部定植所必需的;通过研究细菌定植根部过程中激活的免疫相关通路 (包括鞭毛蛋白、肽聚糖、细菌伸长因子等突变体植物材料) ,确定了合成生长素是益生菌参与植物免疫活动的必要条件。

为了鉴定被细菌激活的植物免疫组分,研究人员检测了突变体和野生型菌株在拟南芥免疫相关基因突变体上的定植情况。结果显示,细菌分泌生长素可以拮抗植物ROS的产生,促进根系定植,同时发现生长素可以保护细菌在ROS的毒性中存活下来;进一步分析生长素对细菌根部定植的影响,发现在一定程度上,生长素影响了细菌粘附根的能力而不是根对细菌的反应。为了阐明生长素促进根系粘附和扩散的机制,研究人员筛选了一系列定植相关的突变体菌株 (包括运动、粘附和生物膜形成相关等) ,发现生长素诱导的鞭毛产生能够增强侧根刺激所需要的根定植形成。为了确定细菌生长素分泌和植物免疫的互作是否对其他细菌也有影响,研究人员对同样可以合成生长素的革兰氏阳性菌进行了相关分析,结果表明生长素刺激的细菌定植存在菌株特异性,并不是普遍现象,而芽孢杆菌在植物上定植的增强能够更好地保护植物免受真菌的侵染。

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综上所述,本研究发现植物免疫系统和细菌生长素分泌之间存在一条反馈回路,主要是多粘类芽孢杆菌和分节孢子杆菌定植植物根部时可以被FLS2受体而不是EFR2受体相关免疫通路识别。该研究加深了益生菌激素分泌和宿主免疫系统之间互作的认识,有利于推动生防菌在农业生产上的进一步应用。

参考文献:

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【3】Couto, D. & Zipfel, C. Regulation of pattern recognition receptor signalling in plants. Nat Rev Immunol 16, 537-552, doi:10.1038/nri.2016.77 (2016).

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【5】Zipfel, C. Plant pattern-recognition receptors. Trends Immunol 35, 345-351,

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【7】Spoel, S. H. & Dong, X. How do plants achieve immunity? Defence without specialized immune cells. Nat Rev Immunol 12, 89-100, doi:10.1038/nri3141 (2012).

【8】Dodds, P. N. & Rathjen, J. P. Plant immunity: towards an integrated view of plant pathogen interactions. Nat Rev Genet 11, 539-548, doi:10.1038/nrg2812 (2010).

【9】Xin, X. F., Kvitko, B. & He, S. Y. Pseudomonas syringae: what it takes to be a pathogen. Nat Rev Microbiol 16, 316-328, doi:10.1038/nrmicro.2018.17 (2018).

【10】Stringlis, I. A. et al. Root transcriptional dynamics induced by beneficial rhizobacteria and microbial immune elicitors reveal signatures of adaptation to mutualists. Plant J 93, 166-180, doi:10.1111/tpj.13741 (2018).

原文链接:

https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(21)00421-2