Nature：根系菌群参与磷胁迫和免疫的平衡

背景

【前人研究总结】PSR与植物免疫有关

植物通过PSR(phosphate starvation responses 低磷响应)途径去适应低Pi环境，从PSR与微生物之间的联系【① 在自然土壤环境中可以激发PSR；② 土壤共生真菌会定殖在植物根部帮助植物吸磷，但是其定殖的过程会受到植物磷水平的影响】进一步发现PSR与植物免疫有关。前人的研究中没有直接说明PSR与植物免疫的调控关系是什么样的。

【本研究】PSR与植物免疫之间的调控关系

首先证明PSR与微生物之间存在作用关系：PSR影响根系微生物组成，在低磷条件下（无糖）SynCom(人工重组微生物群落)会induce PSR；然后进一步证明PSR不仅参与植物Pi吸收，还会调控植物免疫：PHR1是PSR途径中的关键调控转录因子，它的缺失会造成植物reduce PSR，enhance植物免疫。通过3种方式【by target gene promoter occupancy, and functional, as validated by pathology phenotypes 】证明PHR1对植物免疫的调控是直接的。

Result 1: PSR途径影响拟南芥根系细菌组成

① PSR途径中的某些基因会受到细菌存在的影响

phf1, nla, phr1在无菌Agar条件与有菌wild soil中，地上部分Pi的积累量有差异【图b】

Mutant	Agar【无菌】	Soil【有菌】
phf1	Pi: phf1 < Col-0	Pi: phf1 > Col-0
nla	Pi: nla > Col-0	Pi: nla < Col-0
phr1	Pi: phr1 < Col-0	Pi: phr1 = Col-0

参与PSR pathway的基因分为三类，存在上下游关系【图a】

② PSR途径会影响根系细菌的组成，并且不依赖于Pi的积累量

参与PSR途径的不同基因对根系细菌的影响不同

这种影响中存在pattern：PSR途径中的基因分三类【图a】，同一类基因对根系细菌的影响相似，不同类之间有明显差异

不同基因型植物对根系细菌的影响与Pi积累量之间没有pattern

③ PSR途径对根系细菌的影响仅在OTU水平

在OTU水平可以看到很好的pattern，可以将基因型很好的区分【图d】，但是在family水平时，发现同一family中的OTU呈现的pattern不一致，不能很好的区分基因型。

Result 2: SynCom induce PSR并且依赖PHR1

Result 3: SynCom激活PHR1-dependent PSR的同时也会直接调控植物免疫

Fig. 3是对一套转录组数据进行多方面分析，与Fig. 2b的区别是：Fig. 2b中的193 marker genes是依据前人的研究数据找到的，不包含本研究的转录组数据。

这套转录组数据产生的条件：low Pi，SynCom，or both【PSR-SynCom DEG】。然后寻找差异基因【DEGs】，对所有DEGs聚类分析获得12个cluster【图a】

12个cluster中的基因组成：

① 85%的193 marker genes与DEGs cluster有overlap【图b】

② PHR1 ChIP-seq获得的很多target genes与DEGs
cluster有overlap【图c】，这些target genes中与PSR相关的基因也与DEGs cluster有overlap【图d】

③ Defense response，JA response和SA response的marker genes与DEGs cluster有overlap【图d】

PHR1直接调控植物免疫【SA，JA处理后的转录组数据】

① SA-，JA-response中up-regulated genes与PSR-SynCom DEGs有overlap 【468 versus 251 expected for SA, and 165 versus 80 expected for JA 】
② SA-，JA-response中up-regulated genes与PHR1的target genes有overlap【图e】

③ SA-，JA-response中up-regulated genes，PHR1的target genes与PSR-SynCom DEGs三者间有overlap【图f】

④ SA-response中up-regulated genes在phr1和phr1；phl1中enrich【PHR1介导的免疫与SA相应的免疫一致】

Result 4 PHR1与植物免疫的关系

无菌，低磷有糖条件下的转录组数据【常规研究PSR用的条件】

① 证明PHR1在无菌低磷有糖条件下也会参与植物免疫
证据一：与免疫激素SA, JA处理的转录组数据比较，发现很多phr1;phl1和SA上调的基因有overlap【图a, b】

证据二：phr1;phl1在SynCom条件下的转录组数据中，被注释与免疫有关的基因与无菌低磷条件下的转录组数据有overlap【图c】

② PHR1 negative 植物免疫【之前用的词都是PHR1 regulate植物免疫，这里用的是negatively regulate】
用flg22处理植物，发现flg22-responsive genes 【PTI marker genes】在突变体phr1;phl1中有很高的表达量，并且不依赖Pi的浓度【图d】

③ phr1;phl1会提高植物抵抗疾病【真菌和细菌】的能力【图e, f】

结论

知识点1：Homologue，Orthologue and Paralogue

【phf1 a redundant paralogue of phr1 】

Homolog: A gene related to a second gene by descent from a common ancestral DNA sequence. The term “homolog” may apply to the relationship between genes separated by speciation ( see ortholog), or to the relationship betwen genes originating via genetic duplication (see paralog).

Ortholog: Orthologs are genes in different species that have evolved from a common ancestral gene via speciation. Orthologs often (but certainly not always) retain the same function(s) in the course of evolution. Thus, functions may be lost or gained when comparing a pair of orthologs.

Paralog: Paralogs are genes produced via gene duplication within a genome, paralogues can also exist in different species. The additional term outparalogue and inparalogue refer to paralogues that arise before and after speciation, respectively. Paralogs typically evolve new functions or else eventually become pseudogenes.

知识点2：关于glucosinolate

本文中：
By contrast, most JA-responsive genes exhibited lower expression in phr1 and phr1;phl1, including a subset of 18 of 46 genes known or predicted to mediate biosynthesis of defence-related glucosinolates. This agrees with the recent observation that phr1 exhibited decreased glucosinolate levels during Pi starvation.

参考文献 21：Arabidopsis Basic Helix-Loop-Helix Transcription Factors MYC2, MYC3, and MYC4 Regulate Glucosinolate Biosynthesis, Insect Performance, and Feeding Behavior

Glucosinolate是一种次生代谢物，是一种防御物质，在本文中主要影响herbivorous insects的feeding behavior  。

参考文献22： Identification of primary and secondary metabolites with phosphorus status-dependent abundance in Arabidopsis, and of the transcription factor PHR1 as a major regulator of metabolic changes during phosphorus limitation

① 低磷胁迫会影响植物地上部分和地下部分的主生和次生代谢物的含量，其中PHR1是关键基因。

② 低磷条件，PHR1 up-rehulate glucosinolate的相关合成基因,然后提高glucosinolate在植物体内的含量。

③ Glucosinolate还会参与植物abiotic stress：salt, high light，drought。

④ Methyl jasmonate treatment induces the expression of GS【glucosinolate】 biosynthesis genes and triggers GS accumulation.

知识点3：前人是怎么研究PSR与抗病的

没有证明PSR直接与免疫有关，都是相关的描述【参考文献11的研究依赖于12】

热心肠导读

Nature：植物根系菌群如何平衡营养与免疫？

热心肠先生 2017-03-17 热心肠日报

原标题：根系菌群驱动磷酸盐胁迫和免疫力的直接整合

① 植物生长环境中的土壤和菌群都很多样，微生物群落的结构可能被土壤营养成分所改变，微生物可能与植物竞争养分，也可能会促进植物生长；

② 新研究发现即便在非胁迫磷酸盐环境中，控制磷酸盐胁迫响应的基因网络都会影响根系微生物组群落的结构；

③ 在一群人工组合的细菌群落存在的情况下，建立了调控营养与防御之间平衡的分子机制；

④ 拟南芥中响应磷酸盐胁迫的主转录调节子能直接抵制防御，这与植物优先响应营养应激而非防御是一致的。

植物 菌群 根系菌群 拟南芥 免疫 磷酸盐胁迫

Reference

Root microbiota drive direct integration of phosphate stress and immunity. Gabriel Castrillo,Paulo José Pereira Lima Teixeira,Sur Herrera Paredes,Theresa F Law, Laura de Lorenzo,Meghan E Feltcher,Omri M Finkel,Natalie W Breakfield,Piotr Mieczkowski,Corbin D Jones,Javier Paz-Ares, Jeffery L Dangl
3/15/17Article
DOI: 10.1038/nature21417 https://www.nature.com/articles/nature21417

https://www.mr-gut.cn/papers/read/1079323404?kf=mobile.search

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