【LorMe周刊】微生物群介导的植物抗病性
作者：李婧璇，南京农业大学博士在读。主要研究合成微生物群落。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍微生物群介导的植物抗病及抗病菌群构建。原文来自于2019年发表在Plos Pathogens上的文章《Microbiota-mediated disease resistance in plants》。
植物病原体对全球粮食生产造成巨大的威胁。杀虫剂的使用、抗病品种的培育以及对植物免疫基因的调控都有助于减轻这种威胁。然而，病原体抗性和致病性的迅速进化，加上宿主范围的扩大和宿主跳跃，加剧了病害的发生。由于人们在系统地分离、识别和描述与健康植物密切相关的植物相关微生物方面所做的大量努力，用于植物保护的微生物产品越来越受到重视。植物微生物群落成员所提供的个体和群落水平的特性可以扩展植物宿主免疫功能。这些特性在很大程度上取决于土壤养分状况和植物免疫系统之间的相互影响。因此，微生物介导的病害防控将取决于微生物与宿主以及与其他微生物间相互作用。本文将总结这一领域相关知识，并填补在设计具有植物保护功能的合成微生物群落（SynComs）上的空白。
微生物群调节植物免疫(microbiota-mediated immunity, MMI)植物已经进化出一个复杂的先天免疫系统，包括膜上受体（模式识别受体，PRRs）和胞内受体（含有核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列受体， NLRs），它们分别检测胞外和胞内诱导子，并激活针对微生物病原体的免疫反应（图1）。根系微生物菌群介导的植物先天免疫反应能够导致植物对各种叶病原体的抗性（即诱导系统抗性，ISR)。有研究表明，病原菌会导致根系分泌物改变从而招募有益的ISR诱导菌株。ISR诱导菌株的存在可以进一步促进根系分泌抗菌物质，从而塑造根系菌群，并动员包括ISR诱导菌株在内的潜在的有益细菌。这是一种自我强化免疫和招募循环，可调控有益微生物群落功能，为植物提供跨代且稳定的保护。
直接微生物竞争(Direct microbial competition, DMC)
在植物根和叶中，微生物群落成员对病原体的直接抑制作用已被多次报道。这些相互作用是高度多样化的，包括分泌的抗菌化合物、重寄生以及对营养或空间的竞争，最终抑制病原体生长（图1）。这说明植物可能同样依赖于DMC来直接抵御病原体的入侵。DMC构成了复杂的相互作用，影响着微生物共存，从而最终决定病原体能否入侵。因此，植物保护的潜在应用取决于对多物种和多界相互作用的理解与调控，而这些相互作用对微生物介导的抗病性至关重要。
图1 微生物群扩展植物免疫系统
设计合理的SynComs为植物提供保护在实验室条件下具有特定功能的单一菌株用于田间生物防控时效果并不稳定，这是由于微生物介导的抗病性取决于植物及其所处的环境。在这种环境下，植物相关的原核和真核微生物群落是高度多样化的，并随着时间的推移而发生着变化。因此，如何在田间成功地维持诸如MMI或DMC等微生物编码特性以提高作物的抗性？一些研究主张，使用土著或适应本地环境的植物相关微生物构成的SynComs能够提供更有效的保护作用。因此，可以基于MMI和/或DMC所涉及的特性设计SynComs以提高植物抗病能力。下面提出了两种理念，它们能够更有针对性的筛选特性，有助于成功构建SynComs（图2）。
（1）通过冗余和优势使有益特性稳定表达
为了设计预测对田间植物健康有益的SynComs，了解所选特性是否在群落中保留下来至关重要。在SynCom成员间，冗余 （多株菌均表达）和优势（当菌株具有相应功能时表达）的特性可能会在群落环境中的稳定表达（图2）。由于SynComs会受到许多环境微生物的挑战，因此冗余特性也需要在多种环境下优势表达。与宿主单关联观察到的特性一定程度上影响了SynComs的结果，但也有可能一些微生物组合会产生协同效应。此外，新特性的出现可能不能通过两两相互作用预测，但可以在SynCom环境中进行试验检测得到。
（2）利用网络分析设计SynComs
生态网络分析可用于筛选特性并提高SynCom的成功率。网络将复杂的生态系统分解为被测实体之间的相互作用，揭示了微生物类群、基因以及非生物因子是如何与宿主表型相关联的（图2）。微生物相互作用网络也被用来揭示功能相关微生物和影响群落结构的关键物种。考虑到关键物种的影响，该方法可用于确定调控微生物多样性的菌株，并根据田间稳定性对菌株进行描述。总而言之，网络分析将当地环境纳入考虑范围，通过将微生物和非生物因素与宿主表型相关联，最大限度地提高SynCom稳定性与有益特性表达。
图2 合理设计可预测抗病能力的SynComs
总结目前研究的关键是进一步开发自下而上设计SynComs的试验方法，以提高对理想性状的理解与应用。对这些有关微生物的特性及其在群落环境中行为的知识进行总结，将有助于构建微生物群介导植物抗病的微生物工具箱并合理设计MMI和DMC相关模块化功能的SynComs。微生物网络分析将在确定候选生防物种和设计稳定且具有可预测能力的SynComs中发挥关键作用，为解决MMI和DMC性状是否相关等问题提供答案。论文ID
原名：Microbiota-mediated disease resistance in plants
译名：微生物群介导的植物抗病性
期刊：Plos Pathogens (2019)影响因子：6.946发表时间：2019.06通讯作者：Matthew Agler, Stéphane Hacquard作者单位：马克斯·普朗克植物育种研究所，耶拿大学▼作者专栏▼【LorMe周刊】 微生物群落工程的新策略【LorMe成果】 碳源丰富度如何在竞争中助有益微生物一臂之力？【LorMe周刊】 细菌成功入侵取决于进化差异还是生态差异？【LorMe周刊】 合成菌群在植物微生物组研究中的机遇【LorMe周刊】 如何获得理想的微生物组▼往期精彩▼【LorMe周刊】 益生菌通过信号干扰抑制病原菌【LorMe周刊】 “作弊”促进竞争物种在群落中共存【LorMe周刊】 病原菌介导的植物内生微生物抑病功能激活【LorMe周刊】 铁竞争引起链霉菌与黄色粘球菌共培养过程中抗生素的合成【LorMe成果】 噬菌体：根际菌群的“作战方案”（NBT）【LorMe周刊】 微生物群落工程的新策略【LorMe周刊】 细菌-噬菌体间的军备竞赛
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敬爱的徐阳春老师：
祝您生日快乐！很幸运能陪伴您一起庆祝这四年一次的生日
2020.02.29
LorMe实验全体成员
南京农业大学-土壤微生物与有机肥料团队
微生态与根际健康实验室
Lab of rhizosphere Micro-ecology
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