每周文献|拟南芥叶片微生物对抗病原菌

文章信息

  • 题目:Protective role of the Arabidopsis leaf microbiota against a bacterial pathogen
  • 期刊和时间:Nature microbiology,2021.11.24
  • 作者和单位:第一作者Christine M. Vogel和通讯作者Julia A. Vorholt 均来自于瑞士苏黎世联邦理工学院

研究背景

  • 植物是微生物群的集合,而非单独的个体。微生物群能够影响植物的发育和抗性。在植物保护角度来看,微生物群抵抗病原菌的重要意义日益凸显。
  • 目前在叶际中, Methylobacteriaceae科和Sphingomanadaceae科都具有保护宿主植物的潜力。但Pseudomonadaceae科对宿主的影响有两面性。
  • 目前尚未解析内生菌带来的广谱抗性是如何实现,以及内生菌对叶片微生物群组装的影响

主要工作

  • 分离了200多个代表性(已测序)拟南芥叶片细菌,以抵抗DC3000侵染
  • 检测了构建合成的保护菌群对宿主的影响。
  • 使用基因组相关分析法来检测菌群保护植物机制

研究结果

1.筛选试验鉴定细菌的植物保护潜力

Figure1| 综述筛选试验流程

注解:(1)作者首先分离了224个拟南芥叶片菌组成菌落集合(At-LSPHERE)。并将每一个菌单独进行宿主保护性筛选。使用了tripartite A. thaliana model(模型名很酷炫):依次为注射共生菌液看繁殖量()---15d后再注射有荧光标签的DC3000---检测荧光值()和发病值---把发病值转化为保护值(绿)。为之后建立含有宿主保护率的发育树的外围三环(Fig2)提供数据。

2.At-LSPHERE系统发育树

Figure2| At-LSPHERE分类及宿主保护率

注解:多数细菌保护率较低,保护率信息集中在外围绿色柱子中,柱子越高保护性越高。所有224个菌的分属和系统发育关系也包含在Fig2。作者在分离菌集合At-LSPHERE后应该是先做的系统发育树,等Fig1的实验结果到手完成的外围三圈。

3.At-LSPHERE菌群特征

Figure3| 保护性菌株在叶层圈高密度定植

注解:(1)图a和b,两个堆积直方图表述At-LSPHERE群中保护率和定殖量。图c把a和b做了个相关分析。(2)图d把纲进一步细分成科,224个菌归类到29个科,再分别展现其定殖和保护力。从而总结出哪些科更适合高定殖高保护。即从纲到科缩小范围。

4.人工配置保护菌落(SynCom)

Figure4| 检验人工菌落产生的植物获得性保护

注解:(1)图a和b配置了人工随机内生菌群(10个菌一群),并对比人工随机群宿主保护率和群内最大单菌宿主保护率。整体超过单菌意味着群落内菌株间有协同效应。b图为了消除个别单菌可能拉高人工菌群保护率,选取了一些人工菌群并且去除掉富集程度高的单菌。观察保护率的变化,圆点是去除前,三角是去除后。c图对比了完整菌群M10.35,取出278菌的M10.35, 278菌和缓冲液(对照)。把M10.35保护宿主的能力归结为不止一种菌,其中就包括278号菌。但是278号菌也不一定总能引起人工菌落保护性提高(比如M10.48)。菌群之间的互作存在特异性互作。图d,e,f分别为上述三种菌的生长表型,DC3000繁殖量和内生菌的定殖量。

5.植物自身免疫与内生菌

考虑到植物自身的免疫系统。内生菌群可能是通过激活植物自身免疫从而增强DC3000抗性。因此作者把内生菌液注射到了bak1/bkk1拟南芥中。

Figure5| bak1/bkk1背景下植物保护的功能

注解:作者注射了菌液入Col-0和bak1/bkk1。部分菌株没有表现出免疫差异,另一部分菌株注射到bak1/bkk1后减弱了对Pst的免疫。

6.内生菌增强植物免疫的原因

作者利用比较基因组学手段,对比了产生保护的菌和不产生保护的菌基因组之间的差异。并且鉴定出25个同源基因簇。其中14个都是T6SS相关。因此文章对leaf202的T6SS基因进行了突变以验证内生菌激活植物免疫与T6SS的依赖度。将内生菌提高宿主免疫的能力归结为T6SS分泌系统的加持。


Figure6| 内生菌T6SS关联于宿主免疫

从分离并筛选内生菌,配置人工菌群,分析富集单菌功能,再到比较基因组揭示菌的T6SS对宿主免疫的功能。全文的思路比较清晰,工作量主要集中于前中期的组学分析和筛选。早先分离的内生菌库是后继实验和生信数据的重要支撑。


参考信息:

Vogel, C.M., Potthoff, D.B., Schäfer, M. et al. Protective role of the Arabidopsis leaf microbiota against a bacterial pathogen. Nat Microbiol 6, 1537–1548 (2021). https://doi.org/10.1038/s41564-021-00997-7

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