植物如何產(chǎn)生抗菌分子來調(diào)控細菌的生長和行為
在自然界中，植物與多種細菌共存。這些細菌中，有些是降低植物適應(yīng)性的病原體，而另一些是促進植物生長和抗逆性的有益細菌。最新研究表明，與植物相關(guān)的共生細菌作為一個整體對植物健康至關(guān)重要，是植物在自然環(huán)境中生存的必需因素。具有不同特性的細菌會同時定植于植物組織。因此，植物需要適應(yīng)為其提供服務(wù)的細菌，同時也需要防御病原體。植物如何實現(xiàn)這一點呢？
2024年6月10日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)Kenichi Tsuda團隊于Annual Review of Phytopathology發(fā)表了題為Regulation of Bacterial Growth and Behavior by Host Plant的綜述論文。綜述總結(jié)了植物如何利用物理屏障、控制共享資源如水和營養(yǎng)物質(zhì)、以及產(chǎn)生抗菌分子來調(diào)控細菌的生長和行為。論文還強調(diào)植物利用專門的代謝物質(zhì)來支持或抑制特定的細菌，從而選擇性地招募與植物相關(guān)的細菌群落并調(diào)節(jié)其功能。在未來進一步解析植物選擇促進植物健康的微生物群的確切機制將有助于通過部署定制微生物群或調(diào)節(jié)局部微生物群來實現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展。
在自然環(huán)境中，植物不可避免地與包括細菌、真菌、卵菌和病毒在內(nèi)的多樣微生物共存。其中一些微生物是植物病原體，會損害植物的生長和繁殖。植物通過已形成的結(jié)構(gòu)性和分子性屏障來抵御病原體，這些屏障在識別到病原體分子后由PRRs和細胞內(nèi)NLRs誘導(dǎo)產(chǎn)生。PRRs識別PAMPs或MAMPs，以及DAMPs從而激活PTI。NLRs直接或間接識別病原體效應(yīng)分子，進而激活ETI。盡管NLRs在大多數(shù)情況下識別病原體分子，PRRs則無論分子來源于病原體還是共生和有益微生物都可識別。實際上，PRRs有助于維持稱為微生物群的健康植物相關(guān)微生物群體，并幫助防止菌群失調(diào)。因此，植物免疫系統(tǒng)不僅對抗病原體，還保持共生和有益微生物的平衡。微生物群體的重構(gòu)實驗，包括細菌、真菌和卵菌，表明細菌定植對植物在自然環(huán)境中生存至關(guān)重要。這不僅表明一些細菌是植物的朋友，而且它們是自然環(huán)境中植物生命的必要組成部分。因此，植物面臨一個兩難局面：它們需要細菌定植以生存，但同時也受到某些細菌的攻擊。植物如何同時選擇性地招募細菌并抵御細菌病原體，控制共生和有益細菌的行為呢？
通過共享資源的變化實現(xiàn)對細菌的調(diào)節(jié)
圖1.通過共享資源調(diào)控細菌行為。(a)植物向胞間隙分泌/釋放共享資源（例如，糖類、氨基酸和水），從而幫助病原性和非病原性細菌的定植。(b)病原體通過激活宿主的糖類和氨基酸外流轉(zhuǎn)運蛋白以及將效應(yīng)子AvrE作為水透性通道導(dǎo)入宿主跨膜，增加胞間隙中共享資源的量，從而表現(xiàn)其致病力。(c)當(dāng)病原體展示其致病力時，宿主植物通過模式觸發(fā)免疫和/或效應(yīng)因子觸發(fā)免疫誘導(dǎo)其免疫反應(yīng)，進而激活諸如STP13和LHT1等內(nèi)流轉(zhuǎn)運蛋白，以減少胞間隙中的共享資源量。這導(dǎo)致病原體的致病力和生長受到抑制。實線表示已建立的連接。虛線表示假設(shè)/潛在的關(guān)聯(lián)。灰色的轉(zhuǎn)運蛋白未激活。箭頭和線條的粗細代表支持或抑制的不同強度。
植物通過代謝物實現(xiàn)對微生物群的調(diào)控
圖2植物對微生物的選擇性調(diào)控。(a)植物如何選擇性地招募和抑制微生物群落及影響其活性的機制概覽。箭頭和線條的粗細代表支持或抑制的不同強度。(b)微生物利用植物來源的代謝物質(zhì)，導(dǎo)致它們的富集和激活，從而促進功能性反應(yīng)。(c)在生長階段，宿主植物持續(xù)塑造其微生物群，組建一個穩(wěn)定的微生物群落，這使得植物更易受感染或更具抵抗力。(d)在受到壓力時，宿主植物招募并激活特定的微生物，這可能有助于防御，或者在環(huán)境閾值超過植物調(diào)控能力的情況下，無意中促進病原體感染或加速植物死亡
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后Satoru Nakagami與碩士生汪哲為本文的共同第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)Kenichi Tsuda教授為本文的通訊作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)韓曉偉教授參與了本研究。
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