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康奈尔大学Nat Com|借力打力-信息素ascarosides的跨界修饰介导线虫与植物攻防互作

已有 305 次阅读 2020-2-11 13:22 |个人分类:互作|系统分类:论文交流| 植物信息素, 线虫糖脂, 次级代谢产物, 跨界互作


1遇见/摘要

       

       Ascarosides是线虫产生的信息素型糖脂,在其行为及发育调控方面起着至关重要的作用,并能引发植物免疫反应。本文通过比较代谢组学研究发现,植物利用保守的过氧化物酶体:酰基辅酶A氧化酶acx1 acx5,将寄生性线虫产生的ascr#18 (ascarosides的其中一种)进行β-氧化生成短侧链ascarosides,这类短侧链代谢物具有抗线虫并从根部向外分泌从而降低线虫感染作用。本文表明植物可以积极操纵土壤生物的化学信号传导,与传统的植物免疫行为(PTI)共同发挥作用,而这种对线虫信息素进行再编程的现象可作为一种新的防御机制,为新型农药的创制提供理论基础。



背景:植物先天免疫系统由两个主要的免疫反应组成,即病原相关分子模式激发的免疫反应(PTI)和效应蛋白激发的免疫反应(ETI)。其中,PTI主要由病原微生物表面的病原相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMP)(如多糖、鞭毛蛋白等)刺激诱导,可导致植物产生非特异性的防卫反应(基础防卫反应);ETI则由植物的抗病蛋白(R蛋白)识别病原微生物产生的效应蛋白引发,可使植物产生特异性的防卫反应。
叨叨1:本号曾经报道过内生真菌产生前体,随后寄主植物行使修饰作用,共建抗STING化合物astins的生物合成的研究(详见文章底部往期推荐2),本文阐释了一种“借力打力”的策略,借助线虫生命必需分子,稍加修饰再反作用于线虫!这种小分子跨界修饰的作用以及生态意义是个值得探讨的问题。
叨叨2:植物-动物-微生物-环境等互作机制一直令生态学家着迷,这种纷繁复杂的合纵与连横,是用兵上乘之法。论谋略,大自然,一直都是人类的导师


2遇见/内容

       

       植物寄生性线虫在土壤中无处不在,并寄生于大多数商业作物上,造成数百亿美元/每年的损失。在寄生线虫中,一个保守的信息素家族:ascarosides,能够引发植物免疫反应。Ascarosides的结构中含有双脱氧型糖和脂肪酸衍生的亲脂性侧链(Fig. 1b)。这些糖脂在线虫化学通讯,调节其发育和行为的各个方面起着重要作用。有文献报道当根或叶组织暴露于ascr#18中(类似于微生物PAMP),会迅速激活植物经典的防御信号传导途径,而目前尚不清楚这类行为对植物免疫反应起作用的程度(Fig. 1a)。


Fig. 1: a Recognition of nematode-derived ascr#18 activates pattern-triggered immunity (PTI) in plants, similar to pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) derived from other microbes. b Examples for ascarosides previously discovered in C. elegans and other nematode species. 

       为了测试植物如何应对线虫产生的ascr#18,研究人员利用比较代谢组学,分析了双子叶番茄和拟南芥以及单子叶小麦。对于所有三种植物,发现在经ascr#18处理的植物中存在的一系列附加峰(Fig. 2c, d)。通过MS/MS谱图和保留时间与已知的ascarosides进行比较,作者确定这些额外的峰为侧链较短的ascarosidesascr#10,ascr#1和ascr#9。在所有情况下,ascr#9是含量最高的代谢产物(Fig. 2d)。随后研究人员发现用同位素标记ascr#18实验证实较短链的ascarosides是从添加的ascr#18衍生而来。同样,田间土壤/盆栽土壤混合栽培试验也证实此观点。以上实验阐明线虫信息素被植物代谢了!


Fig. 2: c LC-MS analysis of Arabidopsis roots treated with 1 μM ascr#18 for 24 . d Accumulation of ascarosides in Arabidopsis, tomato, and wheat roots treated with 1 μM ascr#18 for 24 h.

       在线虫中,ascarosides是通过长链前体的过氧化物酶体β-氧化作用产生的。而植物中的脂肪酸降解主要也是通过过氧化物酶体中的β-氧化途径发生(Fig. 3a)。对ascr#18衍生代谢产物的结构分析表明,它们的侧链比ascr#18的侧链短两个,四个和六个碳(Fig. 2c)。表明这些化合物可能由ascr#18的β-氧化产生。为了测试ascr#18是否通过过氧化物酶体β-氧化作用在植物中代谢,作者分析了拟南芥该途径中的关键突变体(Fig. 3b 3c)。发现酰基辅酶A氧化酶:ACX1和ACX5双缺的拟南芥突变体中,ascr#18代谢成较短链的ascarosides显着减少。而这两个单突变体中,对ascr#18新陈代谢的影响很小。以上结果表明,ascr#18在植物中代谢为短链的ascarosides是通过内源性过氧化物酶体ACX1和ACX5β-氧化进行的。

Fig. 3: Arabidopsis metabolizes ascr#18 via conserved peroxisomal β-oxidation. a Comparison of peroxisomal β-oxidation pathways and associated enzymes involved in the conversion of indole-3-butyric acid (IBA)-to-indole acetic acid (IAA) in Arabidopsis and ascaroside biosynthesis in C. elegans. b LC-MS analysis of Arabidopsis seedlings treated with 1 μM ascr#18 for 24 h before sample extraction, comparing ascr#9 production in wildtype and ibr10, ech2, ech2 ibr10, or acx1 acx5 mutants. c Comparison of ascaroside abundances in Arabidopsis wildtype and acx1 acx5 roots treated with 1 μM ascr#18.

        随后研究人员分析比较了ascr#18处理的野生型拟南芥和acx1 acx5突变株对丁香假单胞菌以及根结线虫(Meloidogyne incognita)的影响。结果表明,ascr#18代谢作用对于提高对线虫感染的抗性是必需的,而对细菌的抗性则不受影响。接下来,作者还通过数据证明ascr#18代谢对线虫抗性的影响独立于植物防御信号通路(Fig. 4)

Fig. 4: acx1 acx5 is required for ascr#18-mediated enhanced resistance to root-knot nematodes but not a bacterial pathogen. a Experimental designs for assessing activation of defense pathways and resistance to nematodes and bacteria. b Enhanced resistance to virulent P. syringae pv. tomato (Pst) DC3000 does not require acx1 acx5c ascr#18 increases resistance of Arabidopsis wildtype, but not acx1 acx5 mutants, to plant-parasitic nematodes (M. incognita). 

       由于ascr#18代谢不是抗细菌或激活正常植物防御信号通路所必需的,但对于防御线虫却是必不可少的,表明植物可能会将ascr#18代谢物分泌到环境中。研究人员通过实验证明:ascr#18衍生的代谢物通过根部分泌,分泌物中ascr#9最丰富(Fig. 5a)。先前的几项研究表明,线虫信息素的不同混合物可以诱导吸引或回避行为。本文发现,含有ascr#18:ascr#9=1:10的混合物会产生明显的回避行为,而低浓度的任一种化合物都具有吸引力或没有效果(Fig. 5d)。



       植物对ascr#18的快速代谢表明,植物过氧化物酶体β-氧化的进化可能部分受到干扰线虫化学通讯能力赋予的选择性优势的影响。本文首次了解了植物吸收PAMP的代谢能够在植物与病原体的相互作用中发挥的功能。考虑到化学通讯网络在土壤中的普遍性,植物似乎不仅可以“listen in”土壤中微生物和大型生物群产生的化学信号,而且还可以通过代谢再编程积极参生存竞争。 


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1>遇见新年系列6-解毒、防御、互作
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5>荷兰生态研究所合作Science|根内微生物次级代谢产物影响植物抗病性-组学背景下的植物-内生菌-致病菌互作机制研究
6>西南大学邹懿组JACS|缩合结构域的酯化释放-大环内酯类杀线虫化合物thermolides的生物合成与代谢工程
本期参考文献:https://www.nature.com/articles/s41467-019-14104-2


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