Cell Host & Microbe | 细菌鞭毛蛋白与植物免疫系统之间的 “猫鼠游戏”！
植物是固着的生物，在固定的位置与根和叶上的大量微生物相互作用。这些与植物相关的微生物称为植物微生物群，而它们的集体基因组和功能库则称为植物微生物组（Nature | 年度重磅合集：植物微生物组！）。植物微生物群中的细菌成员可能导致毁灭性的病害，但大多数细菌具有共生的生活方式，甚至可以通过促进植物生长、增强养分吸收或刺激植物的免疫系统为其宿主提供维持生命的益处（Nature Reviews Microbiology | 植物-微生物互作：从群落组装到植物健康）。细菌菌群主要由变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和酸杆菌门组成。它们的相对丰度差异很大，具体取决于土壤类型、宿主物种和植物组织。植物可以通过分泌初级和次级代谢物或激活特定的植物防御系统来主动选择其微生物伙伴。从它们的角度来看，细菌群落可以逃避植物的免疫反应，耐受植物释放的抗菌化合物或竞争性地定殖在富含营养的植物生态位。这种在植物和微生物两方面的平衡作用代表了植物与微生物相互作用研究中的首要问题之一：植物如何与有益的、能维持生命的细菌互动，同时抵御病原菌呢？（Science | 重磅研究揭示植物如何区分有益和有害微生物！Cell | 瑞士洛桑大学研究揭示植物根部免疫系统如何区别对待病原微生物和有益微生物！Cell Host & Microbe | 植物根部采用细胞层特异性程序响应病原微生物和有益微生物！PNAS | 中科院王二涛团队揭示受体竞争可以区分水稻的共生和免疫信号！Plant Cell | 牛津大学阐述植物病原菌和共生菌避免细胞表面受体识别的九种胞外策略！）
近日，国际权威学术期刊Cell Host & Microbe发表了荷兰乌德勒支大学Corné M.J. Pieterse教授团队题为Evolutionary “hide and seek” between bacterial flagellin and the plant immune system的点评文章。细菌鞭毛蛋白是有效的宿主免疫激活因子。Parys（Cell Host & Microbe | 背靠背！Jeff Dangl团队揭示拮抗多效性调节植物免疫的机制！）和Colaianni（Cell Host ＆ Microbe | Jeff Dangl团队揭示共生菌群通过MAMP多样性调节植物免疫！）等人剖析了鞭毛蛋白表位变异体对宿主免疫检测和细菌运动性的影响。他们在Cell Host & Microbe中报告说，拟南芥相关的细菌微生物群不同程度地进化出flg22变体，从而使运动性和防御激活之间具有可调性。
在Belkhadir和Dangl（近5年50篇高水平文章！Jeff Dangl院士团队在植物微生物互作领域取得重大进展！Science重磅 | 北卡教堂山分校和诺丁汉大学研究揭示微生物改变植物根系通透性！）团队的两项精美的“背靠背”研究中，Parys等人和Colaianni等人通过剖析细菌鞭毛蛋白和植物免疫受体FLAGELLIN SENSING 2（FLS2）之间的共同进化原理，寻求这个问题的答案。鞭毛蛋白是细菌鞭毛的组成成分，是几乎所有鞭毛细菌的运动器官。因此，鞭毛蛋白对细菌的运动是必不可少的，这是病原体和共生体在宿主身上定殖所需的基本功能。同时，鞭毛蛋白代表一种普遍存在的细菌微生物相关分子模式（MAMP），可以被其同源的植物免疫受体FLS2识别。FLS2通过22个氨基酸的表位flg22检测来自致病菌和有益菌的鞭毛蛋白。FLS2-flg22配对后，FLS2与共受体BRI1-ASSOCIATED RECEPTOR KINASE 1（BAK1）形成一个复合物（图1A）。这激活了一些定义明确的MAMP触发的免疫（MTI）反应，形成抵御定殖微生物的第一道防线，但由于生长防御的权衡，也带来了适应性成本（PNAS | 北卡教堂山分校Jeff Dangl团队揭示共生细菌群落对根部免疫系统的特异性调节！）。因此，鞭毛蛋白的免疫和运动功能可能对微生物的适应性产生相反的影响，这一概念称为拮抗多效性。
为了研究免疫原性flg22基序的单个氨基酸变化如何影响细菌的运动性以及与拟南芥免疫受体FLS2的相互作用，Parys等人在病原体铜绿假单胞菌（Pa）的鞭毛蛋白基因fliC中产生了一个412个flg22变体的大量文库。转化为不运动的ΔfliC Pa突变体表明，几乎80%的fliC变体没有恢复Pa的运动能力，表明大多数flg22变异影响了细菌鞭毛的运动功能。flg22肽段的前17个氨基酸的突变，代表了与FLS2相互作用的重要"地址"段（图1B），对运动功能的影响最强。最后五个氨基酸的突变，代表了BAK1对接所需的"信息"段（图1B），并不影响运动能力。有趣的是，对FLS2-flg22变体相互作用的系统分析表明，超过70%的突变体flg22变体保留了与FLS2的相互作用。这表明flg22表位的氨基酸变化对免疫检测的影响远小于对运动能力的影响（图1C）。对所有flg22变体的比较分析表明，Asp14/15残基对与FLS2的相互作用和运动能力都至关重要。与拟南芥相关的植物病原体假单胞菌在Asp15的位置上含有选定的突变，产生的flg22变体可以阻止FLS2的相互作用，但不影响运动能力。因此，一些细菌病原体似乎已经选择了两全其美的方法。
Colaianni等人从一个不同的角度探讨了这个问题。他们研究了共生细菌的鞭毛蛋白中天然存在的flg22表位是否有可能触发FLS2介导的MTI，从而抑制植物生长。627个拟南芥相关鞭毛细菌的779个预测的FliC蛋白序列被分为三个支系，代表268个独特的flg22序列。来自第1支系（主要是β-和γ-变形菌FliC）和第2支系（主要是芽孢杆菌和放线菌FliC）的Flg22序列与免疫原性Pa flg22序列相似，而来自第3支系（主要是根瘤菌和柄杆菌FliC）的Flg22序列差异更大。Colaianni和同事筛选了来自三个FliC支系的97个有代表性的flg22肽，以了解FLS2的相互作用和下游MTI相关的活性氧（ROS）的产生以及对植物生长的抑制。Parys等人同样测试了一组具有不同程度的FLS2相互作用和MTI反应的合成flg22变体。虽然大多数flg22变体可以与FLS2相互作用，但也有一些变体没有诱导典型的与MTI相关的ROS产生或引起生长抑制。这表明flg22多态性在鞭毛细菌中的自然发生，它们确实与FLS2相互作用而不产生下游的免疫反应。具有免疫原性的ROS诱导和生长抑制的flg22变体大多来自FliC第1支系，而具有免疫逃避能力的flg22变体大多来自FliC第3支系。有趣的是，发现了两种"离经叛道"的flg22变体，它们诱导ROS产生，但不抑制植物生长。然而，它们导致了MTI标记基因的不同转录变化。这些异常的flg22变体主要发生在FliC第2支系。一个惊人的观察结果是，大多数测试的flg22变体是逃避或偏离类型的，这表明共生微生物群含有逃避FLS2或诱导非经典MTI的flg22变体（图1D）。
使用MTI标记基因CYP71A12显示，由免疫原性flg22肽引发的拟南芥根部免疫反应可以被42%的测试根栖细菌微生物群主动抑制。有趣的是，Parys等人和Colaianni等人都发现，一些非免疫原性的flg22变体可以拮抗Pa flg22的免疫原性功能，并抑制拟南芥根部的CYP71A12表达（图1D）。考虑到这些拮抗性flg22变体在植物相关细菌微生物群中的存在，有理由期待在微生物群落的背景下，免疫原性和非免疫原性flg22变体之间的竞争可能影响FLS2的激活，从而影响特定细菌对宿主定殖的成功。有趣的是，flg22信息段有变化的表位（图1B）更经常显示出免疫激活的减少，并且当引入到不运动的细菌中时更经常恢复运动能力。这些突变存在于85%的共生假单胞菌基因组中的事实表明，它们在定殖过程中可以使这些鞭毛细菌受益，而且细菌优先考虑保持不被发现而不是运动能力。
虽然在细菌方面flg22表位大量进化成不同的变体，但在植物方面FLS2似乎特别容易受到进化选择压力。在超过1000个拟南芥品种的基因组挖掘中检测到FLS2有超过100个氨基酸的变化，但在BAK1中只有一个。FLS2的序列变化可能已经进化到允许检测不同的flg22变体以保障适当的免疫激活（图1E）。另一方面，flg22的信息段的多态性可以帮助细菌避免BAK1的招募，从而防止免疫激活。Colaianni等人进一步测试了FliC的丰度和不同flg22变体在拟南芥根和地上部分定殖后在一个先前定义的合成微生物群落中的流行情况（Nature | 重磅！Jeff Dangl团队揭示微生物组中的单一细菌属维持根的生长）。拟南芥根和地上部分富集了具有第3支系FliCs（携带大部分非免疫原性flg22变体）的细菌，而具有第1支系FliCs（代表大部分免疫原性flg22变体）的细菌被耗尽。因此，在拟南芥宿主的定殖过程中，具有逃避免疫的flg22变体的细菌变得更有优势，而具有免疫原性的细菌变得枯竭（图1F）。有趣的是，当植物暴露在盐胁迫下时，这种非免疫原性与免疫原性flg22携带细菌之间的平衡向有利于免疫原性变体的方向转变。这种非生物胁迫条件降低了植物激活免疫反应的能力。因此，植物免疫系统的正常运作不仅对预防疾病至关重要，而且对flg22介导的植物微生物群中共生细菌的监测也是必需的。
Parys等人和Colaianni等人的重要研究为我们提供了对宿主免疫受体FLS2和细菌微生物群产生的众多变体之间相互作用的深刻机理理解，以规避其检测，同时保持运动能力。人们很容易推测，类似的分子军备竞赛也会发生在其他免疫受体-MAMP对之间，以及不仅由细菌组成的更复杂的微生物群落中。总的来说，它们可能有助于植物相关细菌所采用的不同免疫抑制机制的协调活动。植物-微生物相互作用领域的最终挑战是破译植物及其天然相关微生物群的这种平衡行为，并利用它来优化不同环境胁迫条件下的植物健康。
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