植物如何保持免疫天平兩端“共棲微生物”與“病原微生物”的平衡

責編 | 奕梵

在自然土壤中生長的植物往往會被具有特定群落結構的微生物種群所定殖。當中包含了共棲微生物和病原微生物。在定殖過程中，植物經過長期進化形成一套複雜的先天免疫系統來保護自己。先天免疫系統一旦被共棲微生物或病原微生物相關分子模式（Microbe/Pathogen-associated molecular patterns， M/PAMP） 啟用，便會觸發植物免疫反應 （ （MAMP）-triggered immunity， MTI），有效地限制病原微生物增殖。然而，如果植物免疫反應不加控制，不僅會抑制植物生長，同時會影響其它植物共棲微生物的定殖。

那麼，植物是如何在不影響對病原微生物的有效抗性前提下，實現共棲微生物的多樣性定殖？

2021年5月24日，德國馬克斯-普朗克植物育種研究所

Paul Schulze-Lefert

課題組在

Nature Plants

上發表了題為

Nature Plants

的研究論文，

Coordination of microbe-host homeostasis by crosstalk with plant innate immunity

該研究發現，41% （62/151） 的擬南芥 （

Coordination of microbe-host homeostasis by crosstalk with plant innate immunity

） 根部細菌可以緩解透過M/PAMPs觸發的擬南芥根部的生長抑制 （Root growth inhibition， RGI）。作者繼而透過對擬南芥根部合成細菌群落 （synthetic communities/SynComs） 的研究確定了根部細菌可調節植物免疫反應 （圖1）。

圖 1。 41%的擬南芥共棲微生物可緩解植物免疫啟用下根部生長抑制

進一步研究發現，細菌群落在根部定殖時會改變174個與根系發育和養分運輸密切相關的核心基因的表達。此外，對植物免疫反應有抑制性的SynComs可以特異性下調宿主植物免疫相關基因。作者透過（1） 接種對植物免疫反應有抑制性的SynComs或 （2） 突變宿主植物共生時下調的轉錄因子MYB15，皆得出植物對機會性假單胞病原菌 （

自下而上地揭示了植物根部定殖的共棲微生物調節植物的免疫功能。這些共棲微生物間和植物間的微妙互動不但影響了宿主對病原微生物的抗性，也廣義上協調共棲微生物與宿主植物免疫的動態平衡。

spp。） 更加易感的結果。

不同的SynComs分別透過誘導或抑制MTI反應來調節宿主植物對病原微生物的易感性。因此，作者提出了一個變阻器模型 （圖2），在該模型中，植物允許多樣的“微生物群落共棲”，主要是由於共棲微生物 （具有MTI活性調節能力） 相互作用可以緩衝植物免疫系統對病原微生物防禦和免疫反應帶來生長抑制之間的矛盾，最終建立共棲微生物-寄主植物的體內穩態。

圖 2。 微生物群落共棲“變阻器模型”

Arabidopsis thaliana

德國馬克斯-普朗克植物育種研究所博士後

Pseudomonas

、

綜上所述，該研究首次探討了植物是如何在不影響對病原微生物有效抗性的前提下，實現共棲微生物的多樣性定殖，為植物免疫系統-共棲微生物-病原微生物三者關係的研究提供了新的方向與思路。

和南京師範大學副教授

Ka-Wai Ma

（Yong Jia） 為本文的共同第一作者；德國馬克斯-普朗克植物育種研究所Ruben Garrido-Oter和Paul Schulze-Lefert教授為本文共同通訊作者。本研究得到了國家留學基金、德國DFG基金的經費支援。

Yulong Niu

賈永