Current Opinion in Microbiology/微生物群与植物免疫系统的相互作用

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题目：Beyond pathogens: microbiota interactions with the plant immune system

超越病原体:微生物群与植物免疫系统的相互作用

期刊：Current Opinion in Microbiology 2019

三年均IF：6.754

通讯作者：Jeffery L Dangl

摘要

       植物免疫受体感知微生物分子，并启动一系列对大多数入侵者有效生化反应。植物免疫系统在检测和控制病原微生物方面的作用已经得到了很好的描述。与此相反，在植物共生体的丰富性背景下，人们对植物免疫的了解却少得多。最近的研究表明，植物微生物群中的共生体与病原体一样，可以抑制或逃避宿主的免疫反应。此外，植物免疫系统在微生物群的组装中起着积极的作用，并控制着微生物对环境变化的稳态反应。我们认为植物免疫系统塑造了微生物群，微生物群扩大了植物免疫，并作为抵御病原生物的额外一层屏障。

      自20世纪80年代中期以来，科学家们一直在研究植物免疫的分子方面，对植物如何识别、反应和限制入侵生物的生长，以及病原体用来对抗植物免疫的策略的研究，形成了植物免疫系统的概念框架。简言之，植物具有识别非自我或修饰的自我分子的受体，这些分子指示潜在入侵者的存在。位于质膜上的模式识别受体（PRRs）的第一层感知细胞外分子的存在，细胞外分子通常保存在整个微生物类（例如真菌几丁质或细菌鞭毛蛋白）中，因此被称为微生物相关分子模式（MAMP）。对MAMPs的识别导致一种被称为MAMP触发免疫（MTI）的免疫反应，这足以阻止大多数微生物的增殖。然而，适应的病原体已经进化出效应分子来干扰MTI和宿主生理。然而，细胞外MAMP和细胞内效应器之间的明显二分性越来越模糊。反过来，植物利用第二级受体来对抗适应的病原体。这些受体属于NLR蛋白家族（核苷酸结合富含亮氨酸重复序列），作为细胞内的传感器，识别特定效应蛋白的存在。由相应特异的宿主NLR蛋白直接或间接感知病原体效应器，激活效应器触发免疫（ETI），这是一种强大的抗病反应，通常包括局部宿主细胞死亡和系统防御信号。控制防御和生长权衡的植物激素之间复杂的相互作用是植物免疫系统的主要部分。

      尽管该模型很好地概述了植物免疫的基本原理，但它是基于植物与病原微生物的相互作用。然而，很明显，植物与各种共生微生物建立了密切的关系，在地上和地下组织（即微生物组）中形成复杂的群落，这些群落在宿主植物和环境中各不相同。事实上，大多数与植物相互作用的微生物都是非致病性的，但其中许多微生物表达的分子可能被植物免疫系统识别。因此，植物微生物群研究的一个主要问题是，在微生物群的组装过程中，植物免疫系统是否以及如何区分共生体和病原体。病原微生物逃避植物免疫的策略是否适用于微生物组？微生物群能促进植物免疫吗？环境变化如何影响植物免疫与微生物的相互作用？这些都是近年来越来越受到关注的新兴领域中的一些关键问题。 在这里，我们回顾了有关植物免疫系统和微生物之间相互作用的最新研究和新概念，主要集中在拟南芥及其亲属作为这些研究的可操作模型的用途上。

植物免疫系统参与微生物组装的证据

图1：共生MAMP谱和微生物逃避植物免疫系统的潜在机制。a从健康的拟南芥植物中分离的细菌具有潜在的免疫原性MAMPs，而其他细菌则与典型的MAMPs有很大的差异，这可能有助于逃避植物免疫系统。这棵树包括627个拟南芥衍生菌株，是通过修改Levy等人的3837棵微生物树而产生的。典型序列来自溶壁微球菌（csp22）、大肠杆菌（elf18）、紫丁香假单胞菌（flg22）和寄生疫霉（nlp20）。MAMP的分化可以通过（b）序列变异，（c）MAMP降解或隔离，或（d）MAMP修饰导致植物免疫逃避。

      植物寄主的微生物组分不同于周围环境，但这些微生物的招募机制在很大程度上是未知的。Holobiont生态单元框架提出，植物及其集体微生物群形成一个受进化过程影响的单一实体，这意味着植物已经适应了将其进化伙伴与其他微生物区分开来的方式。至少一些植物微生物群的组装可能仅代表生态位填充，这一过程受植物性状的影响，但对植物寄主的适应性重要性较小。不管所提出的植物微生物群的整体适应值是多少，很明显，共生群落的某些部分对宿主具有适应值。一般认为植物可以区分病原微生物和共生微生物。事实上，在对密切相关的共生和致病性假单胞菌菌株的分析中，生活方式之间的转变是建立在只有极少数毒力岛的得失基础上。此外，对来自健康拟南芥根和叶的627个细菌基因组的检查表明，608个细菌（97%）有可能产生假定的免疫原性MAMPs（图1a）。这些细菌中的许多与已知病原体具有相同的MAMP变异体，这表明抑制病原体生长的MTI反应也有可能被激活，以应对共生。这就引出了共生体如何避免或抑制MTI的问题。MTI在与宿主密切接触时，通过将微生物“输入”或“输出”，既能抑制病原体，又能维持微生物群的动态平衡，这似乎是合理的。在这种观点下，MTI作为植物控制其微生物群组装的一般机制发挥作用。作为支持，拟南芥多突变体在MAMP识别与下游MTI信号中存在缺陷对正常致病性丁香假单胞菌无毒突变株的防御作用减弱，在高湿度下不能维持正常的叶片内生细菌群落。不能调节内生细菌群落的生长，导致一些叶片轻度失绿和坏死，类似于生物失调。这表明植物通过免疫系统控制微生物种群的生长，以维持自身的健康。

微生物群逃避或抑制植物免疫的策略

      植物免疫受体不能区分微生物的生活方式，不能识别病原体和共生体中的配体。 逃避或抑制宿主免疫反应是病原体成功的标志。同样，植物微生物群的个体成员的定殖（群落集合的本质）可能需要避免或干扰植物免疫的策略。最近的研究强调了在抑制或逃避植物免疫系统的策略中，共生体和病原体之间的差异和相似之处。

      病原微生物利用MTI抑制绕过植物免疫系统，但最近也有报道称非病原微生物，有益的假单胞菌WCS417促进植物生长并抑制由细菌MAMP flg22触发的部分转录反应。类似地，定植拟南芥根的特定根瘤菌菌株能够防止由相同的MAMP引发的反应。 内生菌也能阻止MAMP引发的拟南芥胞浆钙内流。 最近的一项研究发现，植物生长促进细菌假单胞菌WCS358产生的有机酸降低了细胞外pH值，干扰了flg22的反应。最近的研究还表明，互惠真菌通过操纵植物的先天免疫获得植物组织。然而，共栖者和互惠主义者抑制免疫反应的机制仍在很大程度上未被探索。III型分泌系统（T3SS）是病原菌的共同特征，也可在非病原菌中发现。然而，编码这种效应传递机制的基因在植物相关共生细菌的基因组中是罕见的。这可能反映了大多数植物相关共生体明显的弱寄主专一性。因此，在植物微生物群中有望发现多种干扰宿主免疫应答的替代策略，特别是在MTI的细胞外战场上。MTI规避是病原微生物和共生微生物用来定殖植物的另一种策略。微生物已经进化出至少三种机制来避免MTI：I）MAMP发散，II）MAMP降解/隔离，以及III）MAMP修饰。

MAMP发散

      微生物可能通过进化不再结合或激活相应植物PRR的MAMP变体来逃避MTI（图1b）。这种逃避在表面上可能是反适应性的，因为MAMP序列和结构的改变可能损害含有MAMP的微生物分子的正功能。例如，一些失去免疫原性的flg22变体也失去运动性。然而，在某些细菌类群中广泛存在着多种可能免疫逃避的MAMP变异。这种分布可能是MAMP依赖性的（图1a）：在拟南芥相关菌株中发现的26%的flg22肽表位与典型活性序列至少有50%的序列差异，而在鉴定出的elf18变异体中，不到1%与典型表位至少存在50%的序列差异。这表明flg22识别比elf18具有更强的细菌适应缺陷以及flg22区域比elf18更易于变异，在MAMP识别的要求中存在差异严格性。与第一个假设一致，elf18受体EFR在拟南芥根中不表达，而FLS2表达。由MAMP序列产生的MTI响应与各自的典型序列不同，目前还相对未知。与在植物相关细菌中发现的MAMP序列多样性相平行，拟南芥和番茄系对不同MAMP甚至同一MAMP变体的反应显示出很大的差异，这表明植物种群中的MAMP识别正在进化。因此，识别可能是由本地共生和有益微生物的MAMP基因库驱动的，而不仅仅是病原体。对前者的容留必须通过对后者的不容留来平衡。

MAMP降解/隔离

      即使微生物表达免疫原性MAMP，它们也可能有逃避MTI的机制。微生物已经进化出蛋白酶来消化它们的MAMPs，或者分离MAMPs以躲避植物受体的蛋白质（图1b）。植物病原P.syringae DC3000分泌一种蛋白酶，通过降解鞭毛蛋白，降低MTI，增加该菌株在拟南芥和番茄叶片中的生长。几丁质是真菌细胞壁的一种保守成分，是MTI的另一种有效诱导剂。一些真菌病原体已经进化出几丁质结合蛋白（LysM或非活性几丁质酶），能够隔离游离的几丁质片段，以防止植物PRRs的激活。尽管这一机制迄今为止只在病原体身上得到证实，但在整个真菌界都发现了赖氨酸和可能不活跃的几丁质酶，因此，共生者也可以应用这种逃避的方法。

MAMP修饰

      微生物用来防止MTI激发的另一种策略是MAMP修饰（图1c）。例如，Nicotiana  benthamiana分泌的糖苷酶能将聚糖屏蔽层从细菌鞭毛上剥离，允许植物蛋白酶释放免疫原性flg22肽，供FLS2受体识别。 反过来，病原体可以通过抑制植物糖苷酶或通过修改覆盖其鞭毛的聚糖部分来逃避flg22的识别。 同样，真菌可以通过将细胞壁中的几丁质脱乙酰化为壳聚糖来逃避植物免疫系统，壳聚糖是一种较弱的免疫诱导物。由于flg22和几丁质都普遍存在于植物微生物群中，因此可能共生体已经进化出类似的MAMP修饰策略来逃避MTI。

微生物群是植物免疫系统的延伸

图2：微生物扩大了植物的免疫系统

与植物相关的微生物至少可以通过两种机制作为抵御病原体的额外一层。首先，微生物群可以通过产生抗菌化合物或通过生态位竞争直接抑制病原体的增殖。第二，微生物群可以通过刺激植物免疫系统间接地促进对病原体的抵抗力，而植物免疫系统反过来变得更有能力对抗疾病。

      植物病害传统上被研究为寄主和病原体之间的二元联系。然而，近年来，很明显，微生物群可以扩大植物的防御能力，并经常影响植物-病原体相互作用的结果，通过包含“生物控制”一词的基本未知机制来预防/减轻疾病的发生。重要的是，到目前为止，这似乎在很大程度上取决于两个主要机制：（I）微生物-微生物的直接相互作用和（II）植物免疫系统的刺激或启动（图2）。

      微生物-微生物相互作用在抑制病原体方面发挥着越来越明显的作用, 并作为植物抵御入侵有机体的第一道防线。例如，从受感染的小麦上分离到的假单胞菌ZJU60菌株分泌的一种分子，通过抑制其组蛋白乙酰转移酶之一来对抗真菌禾谷镰刀菌。 此外，最近的一项综合研究表明，对抗其他微生物（包括病原体）的能力是从拟南芥叶微生物群中分离的细菌的一个共同特征。基因组挖掘进一步揭示了在抑制菌株中广泛存在的各种未知生物合成基因簇，并允许鉴定两种新的抗生素。这些和其他研究表明，植物微生物组是通过直接抑制作用发挥作用的病原体拮抗剂的丰富来源。然而，很可能还有许多其他因素有助于微生物群对病原体的直接控制。特别是与本地微生物的资源竞争（生态位重叠）被认为是限制植物病原体入侵的一个重要因素。这类似于共生微生物在动物肠道中所起的保护作用，在动物肠道中，当侵入的有害微生物超过竞争对手时，它们的生长受到已建立的宿主微生物群的抑制。有趣的是，拟南芥的根是由潜在有害的丝状真核生物自然定殖的，然而这些真核生物在一个多界微生物群的环境中被多个共生细菌控制。 去除保护性细菌会导致疾病，这突出了微生物群动态平衡和微生物-微生物相互作用对植物健康的重要性。

      除了直接抑制上述病原体外，共生微生物还可以通过刺激植物免疫系统促进宿主健康，从而间接地起到抑制疾病的作用。植物中一种众所周知的微生物群介导的免疫形式是诱导系统抗性（ISR），这是一种由根相关微生物引发的针对叶病原和害虫的防御反应。已经发现了ISR所需的寄主遗传成分，并且在许多不同的植物物种中发现了一些与系统发育无关的微生物触发了ISR。ISR的一个特点是增强了防御基因的致敏作用，而不是构成性激活。这意味着ISR促进更快更强的全身免疫反应，但仅在刺激时。微生物群介导的抗病性涉及植物免疫系统的组成性激活（警戒状态）也有报道。从拟南芥中分离的一株鞘氨醇单胞菌激活了植物防御基因的一个子集，并促进了对细菌病原体（P.syringae）DC3000的免疫。这种保护在bak1/bkk1突变体中丢失，表明这种共生可能通过依赖bak1作为共受体的PRRs识别MAMP来刺激植物免疫。这些研究表明，由共生微生物抑制疾病可能需要完整的植物免疫系统，强调微生物群在决定植物-病原体相互作用结果中的参与。

      最近的研究表明，植物微生物群是动态的，对病原体和害虫的存在作出反应，支持了一个令人兴奋的假设，即植物在某些情况下主动选择保护性共生体来对抗疾病。在荷兰本土种植的拟南芥，在叶片感染霜霉病病原菌hyalopenospora arabidopsidis后，促进了根际三种特异性ISR诱导细菌的增殖。值得注意的是，这些保护性细菌似乎一直存在于土壤中，并增强了对随后植物种群的防霜霉病保护。 拟南芥叶片感染病原还导致了类似的土传遗产，保护了下一代植物。支持宿主在重塑其微生物群方面的积极作用，受感染的植物显示出改变的根系分泌物组成，说明这些根系分泌物组成可选择有益细菌。在感染禾谷镰刀菌的大麦根和感染白粉虫的辣椒幼苗中也观察到微生物组分的变化和潜在有益微生物的富集。重要的是，根际保护性微生物的富集与抗病土壤的发育有关，在这种土壤中，即使有病原体存在，植物也保持健康。因此，微生物群的变化有可能影响到在同一土壤中发芽的下一代植物，从而对生态和农业过程产生影响。

      与ISR形成鲜明对比的是，一些根相关细菌能使寄主植物更容易受到叶病原菌的影响。在拟南芥中促进对草食动物抗性的假单胞菌菌株也会引起对半生物营养性病原体的诱导系统敏感性（ISS）。这涉及到亚精胺的细菌生产，但这种分子如何调节植物免疫仍不清楚。此外，丛枝菌根真菌还增加了豆科植物直立黄耆对叶面病原菌Erysiphe pisi的敏感性，从而导致白粉病。这些研究表明，共生微生物可以对植物免疫系统产生多效作用，表明免疫调节微生物在农业中的有效部署将取决于对不同环境下对植物、病原体和其他共生菌的微生物作用的充分了解。

环境依赖性免疫调节对植物微生物群的影响

      自从它们在陆地环境中定居以来，植物就面临着异质的环境如温度，水，营养可获取，以及化学特性，如盐度、pH值和重金属的存在。植物对环境变化的反应与植物免疫有关，部分原因是植物需要对非生物胁迫和病原体入侵的组合作出最佳反应。然而，这种相互关联性对植物微生物群的组装和功能的影响尚在探索之中。环境变化，包括温度、水分或养分供应的差异，可以通过多种机制调节植物的免疫力。

图3：环境变化，包括温度、水分或养分供应的差异，可以通过多种机制调节植物的免疫力。首先，不同的环境可以改变表达植物免疫输出，包括MAMP的成分和效应器触发免疫ETI。其次，非生物胁迫激素（如脱落酸）和防御激素（如水杨酸）之间的串扰可以调节植物的免疫力。第三，共享的信号成分可以导致联合的植物非生物胁迫和免疫反应。最后，微生物可以在特定环境下调节植物免疫。所有这些植物免疫调节机制都有可能改变植物的微生物群。

      环境变化可以通过一些非排他机制调节植物的免疫力（图3）。首先，不同的环境可以直接调节植物免疫输出的表达。例如，暴露在环境胁迫下可以调节MTI和ETI相关基因的表达，并且在温度升高的情况下，一些NLR受体失去功能。其次，植物对非生物胁迫反应的激素调节因子，如干旱和营养有效性，通常通过抑制茉莉酸（jasmonic acid，JA）和水杨酸（SA）防御途径对植物免疫产生拮抗作用。事实上，这种影响是如此强大，以至于微生物病原体劫持这种相互作用，以促进它们的入侵。最近的研究表明，非生物反应对植物免疫的拮抗作用取决于植物年龄、应激源的大小和时间顺序等因素。最后，共享的信号成分可以共同协调植物对非生物胁迫的反应和植物免疫。 例如，PRR-几丁质诱导子受体激酶1（CERK1）负责植物对真菌病原体的防御，但也强烈调节盐胁迫所需基因的表达。

      微生物也可能有助于调节植物对环境的免疫力。细菌效应器向宿主的转移在较高的温度下增加，有助于抑制植物免疫力。此外，只有当寄主植物生长在低磷酸盐条件下时真菌内生真菌Colletotrichum tofieldiae的定殖抑制了植物的免疫力。最后，γ-变形菌的成员在营养缺乏的情况下排出其极性鞭毛，可能是为了在不利条件下保存能量。然而，由于鞭毛蛋白是植物免疫的一个重要触发因子，在特定环境下鞭毛的丢失也可能导致MTI的调节，并对随后的微生物定植产生潜在的后果。有趣的是，在夏威夷短尾乌贼Euprymna scolopes的光器官中，内共生的弧菌的持续存在伴随着鞭毛的丢失，这表明通过MAMP修饰对宿主免疫的环境依赖性调节可能是跨植物和动物宿主的相关微生物的特征。

      环境或营养胁迫条件下植物免疫功能的调节可以重塑植物微生物群落。在低磷酸盐条件下，植物免疫相关的化合物，特别是色氨酸衍生的次级代谢产物，是控制真菌内生菌C.tofieldiae的招募所必需的。 此外，植物磷饥饿反应的主要转录调节因子PHR1通过SA和JA途径中的靶向基因直接调节植物免疫。这种串扰导致植物免疫反应减弱，以及根微生物群受到干扰。拟南芥在缺铁期间或在ISR诱导细菌存在下产生的根分泌物香豆素在根际发挥选择性抗菌作用，抑制真菌病原体并重塑微生物群以可能选择有益微生物。为了应对铁缺乏，植物合成香豆素并将其分泌到根际，这不仅有助于调动土壤中的铁，而且通过其抗菌活性重塑根微生物群的组成。PBS3以年龄依赖的方式调节非生物胁迫下的植物免疫，也重塑了组成叶片的细菌群落。

      虽然越来越多的证据支持环境依赖性免疫调节可以重塑植物微生物群的观点，但这种微生物群重塑对植物性能的影响，无论是积极的还是消极的，仍然没有得到验证。植物在缺铁条件下分泌的香豆素选择性地抑制病原真菌的生长，同时保持促进植物生长的假单胞菌和其他微生物。 这些香豆素选择的微生物可能通过提高植物对铁饥饿的耐受性而使植物受益。类似地，植物可能会受益于在诸如草食、干旱和病原体攻击。 尽管在这些例子中，微生物群改变的机制尚未确定。在低磷条件下，真菌内生菌C.tofieldiae的引入增加了拟南芥植株的生物量。 然而，合成群落实验表明，在磷饥饿条件下，富含拟南芥根系的细菌类群降低了植物的表现，这是通过茎磷积累来衡量的。最近的一项研究表明，拟南芥产生的三萜类化合物是根细菌微生物群的主要决定因素。 这些分子作为抗生素或增殖剂依赖于细菌类群，并有选择地调节根微生物群的组成。重要的是，三萜生物合成可在非生物胁迫以及病原体和食草动物攻击期间诱导。这些例子强调，微生物在不同环境中的变化，部分是通过植物免疫调节介导的，对植物的表现既有积极的影响，也有消极的影响。

结论

       我们对植物免疫系统的认识主要是建立在几十年来对植物-病原体相互作用的研究基础上的。这些知识现在在微生物群的背景下正被重新审视、测试和构建，揭示出令人兴奋的差异和相似之处。迄今为止的研究表明，植物免疫系统介导与病原微生物和共生微生物的相互作用。大多数被植物免疫受体识别的MAMP通常存在于病原体和共生体中，这表明微生物对植物组织的定殖涉及到宿主免疫系统的抑制和逃避，而不管它们的生活方式如何。事实上，最近的研究表明许多共生细菌可以抑制MTI。今后的研究应着重于确定这种抑制作用的机制及其对微生物组装的意义。同样重要的是病原体与植物共生群落之间的相互作用。我们认为微生物群是植物免疫系统的一个附加层，可以通过微生物-微生物的相互作用直接抑制疾病，也可以通过刺激植物免疫间接抑制疾病。我们预测病原体一定已经进化出了克服微生物所造成的免疫屏障的策略。最后，植物的免疫系统与环境和营养反应有着错综复杂的联系，在环境变化面前，微生物群落经常会发生改变。一个相关的方向是研究环境依赖性免疫调节如何改变植物微生物群的组成，以及这如何帮助植物在各种环境的胁迫条件下茁壮成长。确定植物免疫和微生物群之间复杂相互作用的潜在机制和由此产生的植物效应是推进植物-微生物相互作用领域的重要目标。

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