粘上你：细菌生长素介导的植物根部细菌定殖

Stuck on you: Bacterial-auxin-mediated bacterial colonization of plant roots

Cell Host & Microbe [IF: 21.023]

DOI：https://doi.org/10.1016/j.chom.2021.09.014

发表日期：2021-10-13

第一作者: Jing-Mei Qian(钱景美)^1,2,3,4

通讯作者：YangBai(白洋)(ybai@genetics.ac.cn)^1,2,3,4

主要单位：

^1,3中科院遗传发育所(State Key Laboratory of Plant Genomics, Institute of Genetics and Developmental Biology, Innovation Academy for Seed Design, Chinese
Academy of Sciences, 100101 Beijing, China;CAS-JIC Centre of Excellence for Plant and Microbial Science, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of
Sciences, 100101 Beijing, China)

^2,4中国科学院大学(CAS Center for Excellence in Biotic Interactions, College of Advanced Agricultural Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, 100049 Beijing, China;College of Advanced Agricultural Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, 100049 Beijing, China)

摘要

根相关细菌分泌的生长素促进植物生长，但对细菌本身的益处尚不清楚。在本期 Cell Host & Microbe 中，Tzipilevich (2021)等人证明生长素和植物 EFR 触发的反应对于 B. velezensis 的根部定殖至关重要，表明植物和根共生细菌的潜在共同进化。

正文

植物根部被多种共生细菌定殖，这是对植物生长发育至关重要的过程。这些细菌与宿主植物之间的相互作用背后有许多基本的科学问题。半个世纪以来，很大一部分根相关的细菌合成促进植物生长的植物激素(例如生长素)，这在进化上一直令人感到困惑。根据适应性进化理论，细菌应该积累有益于自身而不是它们的宿主植物的基因。细菌生长素对产生这种激素的根际细菌的益处尚不清楚。

在本期Cell Host & Microbe 中，Tzipilevich (2021)等人提供了细菌生长素对定殖在植物根部的共生细菌的作用和遗传机制的见解。作者研究了拟南芥和 Bacillus velezensis FZB42 之间的相互作用，Bacillus velezensis FZB42 是一种模式革兰氏阳性土壤细菌，可合成生长素并刺激侧根形成和植物生物量积累。Tzipilevich (2021)等人通过帮助细菌耐受植物活性氧 (ROS) 的毒性作用，发现细菌生长素是 B. velezensis 在拟南芥根上定殖的必要条件(图 1)。此外，他们发现植物 EFR 触发的反应和细菌鞭毛的产生对于细菌粘附到植物根部和保护植物免受真菌病原体 Rhizoctonia solani 的感染至关重要。最后，作者通过对其他四种生长素分泌细菌的研究表明，生长素诱导的定殖是一种细菌特异性的现象。

图1 产生生长素的细菌与 EFR 触发的植物免疫反应之间的相互作用图

植物免疫受体 EFR 可识别野生型细菌和 ΔysnE(一种缺乏生长素(绿色六边形)产生的突变菌株)。然后 EFR 刺激植物 ROS 的产生。ROS可以触发野生型细菌中生物活性生长素的积累，同时限制没有细菌生长素的 DysnE 突变体的增殖细菌生长素和植物 EFR 触发的反应对于 B. velezensis 在拟南芥根上的定殖是必不可少的。

为了探索细菌生长素在根系定植中的作用，Tzipilevich (2021)等人用野生型 B. velezensis 和 ΔysnE（一种缺乏生长素生产的突变菌株）接种拟南芥幼苗。ΔysnE 菌株未能增殖并粘附在拟南芥根上。外源生长素恢复了 ΔysnE 突变体的定植缺陷，表明细菌生长素是 B. velezensis 在拟南芥根上定植的必要条件。作者假设这种细菌需要细菌生长素来对抗植物的免疫反应。他们发现由受体 EFR 介导的植物免疫反应限制了缺乏生长素的细菌突变体 ΔysnE 的定殖。EFR 的突变恢复了 ΔysnE 的增殖缺陷，表明细菌生长素在克服植物免疫系统对细菌根系定殖的限制作用中起着重要作用。

为了确定限制B. velezensis ΔysnE增殖的植物免疫系统成分，作者在几个具有缺陷免疫反应的拟南芥突变体中检测了与根相关的ΔysnE细菌的菌落计数。ΔysnE 突变株的增殖缺陷在 rbohd rbohf 双突变植物的根部得到恢复，该植物在免疫触发的 ROS 产生方面存在缺陷。ROS 是参与植物防御入侵病原体反应的重要化合物。Tzipilevich (2021)等人在体外用超氧化物 (O²⁻) 处理野生型和 ΔysnE B. velezensis 菌株，发现 O²⁻ 对野生型细菌的毒性低于对 ΔysnE 突变体的毒性。用外源生长素处理增加了野生型和突变株的存活率，表明细菌生长素对于帮助细菌耐受植物活性氧的毒性作用是必要的和充分的。

然后 Tzipilevich (2021)等人比较了 O²⁻ 处理后野生型和 ΔysnE 菌株的基因表达变化。与 ΔysnE 相比，野生型细菌中参与 SOS 反应、DNA 修复和铁稳态的基因被特异性上调。这些基因在ΔysnE细菌中的表达显著促进了根上的细菌增殖，表明这些基因在细菌生长素下游起作用。值得注意的是，ROS诱导了细菌生长素的积累，因为ROS处理增强了细菌中YsnE-GFP的荧光。此外，与未处理的对照相比，由 ROS 处理的 B. velezensis 制备的上清液在 DR5::GFP 拟南芥植物中显示出更大的荧光诱导，表明 ROS 触发了具有生物活性的细菌生长素的有效生产。

Tzipilevich (2021)等人
还研究了细菌对拟南芥根系响应于 EFR 触发的免疫反应的粘附作用。虽然 ΔysnE 细菌的增殖缺陷在 efr2 根上得到了恢复，但这些细菌未能有效地粘附在 efr2 根上。野生型细菌对 efr2 根的粘附效率也低于野生型 Col-0 植物，这表明 EFR 触发的反应对于诱导细菌粘附至关重要。有趣的是，外源生长素处理促进了野生型细菌对 Col-0 和 efr2 植物根部的粘附，表明细菌生长素在植物根部环境中诱导细菌的增殖和粘附。Tzipilevich (2021)等人然后检测了一系列与定植相关的细菌突变体，这些突变体在外源生长素处理下在运动、粘附和生物膜形成方面受损。生长素处理未能恢复鞭毛产生缺陷突变体Δhag和ΔswrA的根粘附，而不是鞭毛运动缺陷突变体 ΔmotA，这表明鞭毛产生，而不是鞭毛运动参与了生长素诱导的细菌对植物根的粘附作用。

接下来，Tzipilevich (2021)等人
研究了生长素诱导的细菌和植物定植的好处。他们将 B. velezensis 与 P. polymyxa 或 Arthrobacter MF161 共同接种到 Col-0 和 efr2 拟南芥植物的根部。B. velezensis 在伸长和成熟区在 Col-0 根上的生长超过了 P. polymyxa，而 P. polymyxa 在 efr2 突变体的根上的生长超过了 B. velezensis ，表明 EFR 触发的反应增强了 B. velezensis 在同一生态位中与其他根共生细菌的竞争。值得注意的是，由 EFR 触发的反应增强的根部定殖增强了 B. velezensis 保护植物免受病原体感染的能力。作者使用植物 efr2 和细菌 Δhag 突变体减少了细菌的根定殖，并检查了 B. velezensis 定殖减少对其防止根部真菌病原体 Rhizoctonia solani 感染的保护功能的影响。他们发现，野生型B. velezensis比efr2突变株对Col-0植物的保护作用更好，而细菌Δhag突变株对Col-0植物的保护作用较差，这表明增强的粘附和菌落形成有助于B. velezensis保护植物免受真菌感染。

Tzipilevich 还使用其他四种生长素分泌细菌检查了细菌生长素在根系定殖中的作用：P. polymyxa, Arthrobacter MF161, Pseudomonas species 65, and WCS374。外源生长素增强了P. polymyxa和Arthrobacter MF161 的根定殖，而Pseudomonas species 65和 WCS374 对外源生长素的处理没有响应，表明生长素诱导的定殖是一种细菌特异性现象。

这项重要的研究揭示了生长素分泌细菌与植物免疫系统之间相互作用的机制。作者证明，细菌生长素对于 B. velezensis 的根定植及其在 EFR 触发反应下的存活至关重要，揭示了细菌生长素对细菌本身的益处。生长素诱导根部细菌定植的观察结果与先前的研究结果一致，即生长素过量产生的苜蓿根瘤菌增强了苜蓿物种的结瘤，并且丁香假单胞菌菌株 DC3000 在拟南芥叶片上显示出比缺乏生长素产生的细菌突变体更高的细菌负荷量。宿主植物和共生细菌对根中生长素浓度的调节对植物生长发育至关重要。通过 EFR 触发的反应增强定植有助于 B. velezensis 与同一生态位中的其他细菌竞争并保护植物免受真菌感染，这表明植物和根共生细菌的潜在共同进化。

Reference

Jing-Mei Qian,Yang Bai.Stuck on you: Bacterial-auxin-mediated
bacterial colonization of plant roots. Cell Host & Microbe(2021). https://doi.org/10.1016/j.chom.2021.09.014

Elhanan Tzipilevich, Dor Russ, Jeffery L. Dangl & Philip N. Benfey. (2021). Plant immune system activation is necessary for efficient root colonization by auxin-secreting beneficial bacteria. Cell Host & Microbe 29, 1507-1520.e1504, doi: https://doi.org/10.1016/j.chom.2021.09.005