植物遗传网络维持叶际微生物组稳态

A plant genetic network for preventing dysbiosis in the phyllosphere

Nature [IF:43.07]

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2185-0

Article: 2020-4-8

第一作者：Tao Chen(陈桃)^1,2,3,8, Kinya Nomura^1,8

通讯作者：Xiu-Fang Xin(辛秀芳 xinxf@sippe.ac.cn)^4,7 & Sheng Yang He (何胜洋 hes@msu.edu)^1,3,5

Colin Hill（c.hill@ucc.ie）¹

其他作者：Xiaolin Wang(王孝林)⁴, Reza Sohrabi, Jin Xu, Lingya Yao, Bradley C. Paasch, Li Ma, James Kremer, Yuti Cheng, Li Zhang, Nian Wang, Ertao Wang(王二涛)⁴

作者单位：

1. 美国密歇根州东兰辛市，密歇根州立大学植物能源系(Department of Energy Plant Research Laboratory, Michigan State University, East Lansing, MI, USA)
2. 华中农业大学农业微生物学国家重点实验室，中国武汉(State Key Laboratory of Agriculture Microbiology, Huazhong Agricultural University, Wuhan, China)
3. 美国密歇根州东兰辛市，密歇根州立大学霍华德·休斯医学院(Howard Hughes Medical Institute, Michigan State University, East Lansing, MI, USA)
4. 中国科学院卓越分子研究中心植物分子遗传学国家重点实验室，中国科学院植物生理生态研究所，上海(National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, CAS Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, Institute of Plant Physiology and Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China)
5. 密歇根州立大学密歇根州立大学，植物抗逆研究所美国(5Plant Resilience Institute, Michigan State University, East Lansing, MI, USA)
6. 美国佛罗里达州，阿尔弗雷德湖佛罗里达大学，食品与农业科学研究，所微生物与细胞科学系柑橘研究与教育中心(Citrus Research and Education Center, Department of Microbiology and Cell Science, Institute of Food and Agricultural Sciences, University of Florida, Lake Alfred, FL, USA)
7. 中国科学院植物生理与生态研究所，CAS-JIC植物与微生物科学卓越中心（CEPAMS），中国上海(CAS-JIC Center of Excellence for Plant and Microbial Sciences (CEPAMS), Institute of Plant Physiology and Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China)

简讯

北京时间2020年4月8日，Nature在线发表了题为”A plant genetic network for preventing dysbiosis in the phyllosphere”的研究论文，该研究率先开启了植物学的新领域——植物菌群失调与植物健康之间的关系。美国密歇根州立大学访问学者、华中农业大学植物科学技术学院的副教授陈桃和密歇根州立大学的博士后Kinya Nomura为该论文的共同第一作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心、中科院植物生理生态研究所的辛秀芳研究员和密歇根州立大学的Shengyang He (何胜洋)院士为该论文的共同通讯作者。该研究对认识植物叶际微生物群的稳态维持机制以及植物微生物组领域向功能性研究转变实现了重要推动。

背景

植物的地上部分可统称为叶际/叶圈/叶围(phyllosphere)，而这其中的叶片组织是植物进行光合作用和能量代谢的中心部位。与植物根部类似，植物叶片的表面和内部存在细菌、真菌等微生物群；但是相比对植物根际微生物群的许多研究，目前对植物如何控制叶际微生物群的稳态以及叶际微生物群的平衡如何影响植物健康生长还知之甚少。

正文简介

植物叶片上生存着大量不同种类的微生物，有益微生物和有害微生物与植物长期共存，但植物控制这些叶际微生物并维持自身健康的机制尚不明确。

2016年，密歇根州立大学何胜洋教授团队在Nature上发表的科研成果揭示了一种细菌感染植物的新机制（Xin et al., Nature 2016），即细菌除了能抑制植物的免疫系统之外，也会在植物体内产生一种潮湿的环境，加上高湿度的条件，容易引发植物病害。

在该研究的基础上，作者团队利用拟南芥四突变体mfec (min7 fls2 efr cerk1)在高湿度的条件下显现出黄化和坏死的病症的特点，通过16S rRNA基因扩增子测序检测了健康叶片（野生型，Col-0）和不健康叶片（突变体，mfec）叶片总微生物组和叶内微生物组，结果表明，健康叶片和不健康叶片的总微生物组的多样性没有显著差异，但是叶内微生物组的丰度和多样性均有显著的变化，不健康的叶片内部微生物的多样性降低，从Firmicute-rich的群体转化为Proteobacteria-rich的群体（图 1）。

图1. Col-0野生型和mfec突变体叶总和叶内微生物组

Fig. 1 | Total and endophytic leaf microbiota in Col-0 and mfec plants

a, Col-0和mfec的表型，b, Col-0和mfec叶内和全部叶片细菌的数目。c和d，微生物组测序分析Col-0和mfec叶内和全部叶片的细菌种类的多样性及相对丰度分析。

图2. Col-0野生型、fec、min7和mfec突变体叶内微生物组

Fig. 2 | Endophytic leaf microbiota in Col-0, fec, min7 and mfec plants

a，b，Shannon指数（a）和群落水平上细菌门和变形菌纲的相对丰度（b），从拟南芥混有SynComCol-0的土壤中生长的植物的内生叶细菌的16S rRNA基因扩增子测序结果。 数据表示和统计分析如图1c，d所示。 n = 20（Col-0），n = 19（fec），n = 19（min7）和n = 19（mfec）生物学重复通过了4个独立实验的质量控制。 c，d，将植物移至高湿度（约95％）后6天，在5周龄的植物中内生叶片微生物群的种群大小（c）和叶片外观（d）。 带有Tukey测试的单向方差分析。 数据为平均值±s.e.m.，n = 3个生物学重复； 实验重复了四次，结果相似。

研究还通过构建合成菌群体系（SynComCol-0 和SynCommfec），并在“无菌植物培养系统”（Gnotobiotic system）探索了合成菌群体系的功能，结果表明，菌群失调的SynCommfec的确会导致植物不健康（dysbiotic）（图 3）。

图3 SynComCol-0 和 SynCommfec影响植物健康的功能比较

Fig. 3 | Functional effect of SynCom^Col-0 and SynComm^fec on plant health

a和b，野生型拟南芥在平板上生长，接种SynCom^Col-0 或者 SynComm^fec菌液，14天后的表型（a）及生物量统计（b）；c和d，野生型拟南芥在无菌系统GnotoPots上生长，接种SynComCol-0 或者 SynComm^fec 菌液26天后的表型（c）及叶片面积（d）； e和f, SynCom^Col-0 或者 SynComm^fec 菌液注射到野生型拟南芥叶片内部，浓度为108CFU/ml, 5天后叶片表型（e）及叶片内部细菌的数目（f）。

随后，他们进一步研究了mfec突变体丧失维持微生物组多样性的机制。研究通过体内和体外的细菌互作，证明细菌拮抗作用存在推测在mfec植物体内，因为免疫途径（Pattern-triggered immunity）和MIN7途径的缺失，导致细菌在突变体内过度增殖，从而使Firmicute和Proteobacteria发生拮抗作用，进而导致菌群的多样性减少，菌群失调，最终使得植物叶片显症。同时，通过对与mfec相似表型的另外一个突变体ben3（big2cad1S205F, 表型依赖于cad1S205F）的研究发现，CAD1可能是控制叶内微生物数目和多样性的一个关键下游基因(图4)，CAD1、Pattern-triggered immunity(PTI)途径和MIN7途径共同调控叶内微生物的数目和多样性，阻止菌群失调，维持植物的健康。

图4. ben3突变体上的微生物组表型

Fig. 4 | Microbiota phenotypes in the ben3 mutant

a，b，在拟南芥中生长的Col-0和ben3（以下称为cad1^S205F）植物中的叶片外观（a）以及总内生叶片微生物群（b）在植物生长前将混合有SynCom^Col-0的土壤混合4周置于高湿度（约95％）下2天（请参见方法）。带有Tukey测试的单向方差分析。数据为平均值±s.e.m.，n = 6个生物学重复。 c，补充SynCom^Col-0的Col-0和cad1^S205F植物中内生叶细菌的16S rRNA基因测序的香农指数。数据表示和统计分析如图1c所示。 n = 20（Col-0）和n = 20（cad1^S205F）生物学重复。 d，e，Col-0（e）和min7（f）植物中CAD1蛋白的蛋白质印迹分析。用1 μM flg22渗透5周龄的Col-0和min7叶子，并在指定的时间点收集。用CAD1抗体检测到CAD1蛋白；非特定频段显示相同的负载。未裁剪的凝胶图像显示在补充图1中。该图中的所有实验均重复了3次，结果相似。

此研究率先开启了植物科学新领域叶际微生物群失调与植物健康的关系（附图9）。有意思的是，植物就像人类一样，已经进化出一个遗传网络来调控微生物菌群的稳态来维持植物的健康，而且该网络中的某些要素和调控方式与人类极为相似（例如已发现人类肠道微生物群失调会导致多种疾病）。

附图9. 植物控制叶内微生物组的模型

Extended Data Fig. 9 | A model for plant control of endophytic phyllosphere
microbiota

a，补充了SynComCol-0的Col-0和cad1S205F植物中内生叶细菌的16S rRNA基因测序菌群相对丰度图。 数据表示和统计分析如图1d所示。 n = 20（Col-0）和n = 20（cad1S205F）生物学重复。 b，简化的模式图描述了模式触发的免疫(PTI)信号，MIN7和CAD1是假定控制植物内生菌群遗传框架的三个组成部分。 以前已经证明MIN7参与调节叶质外体（leaf apoplast ，即细胞外空间extracellular space）中的愈伤沉积和含水微环境。 c，野生型Col-0与mfec（或cad1S205F）叶内生微生物群的水平和组成发生较大变化，部分原因是通过变形杆菌和Firmicutes之间的竞争。 b和c中的某些组件是使用biorender.com中的工具绘制的。

该工作发现的植物控制网络中的关键基因广泛存在于植物界中，也许不久的将来，可以通过改造植物中的这些基因来调控微生物群的稳态或者优化微生物群，以改善植物的健康生长和抵抗胁迫环境的能力，从而提高重要作物的产量和改良自然生态系统，为人类生活服务。

该工作由美国密歇根州立大学何胜洋研究组、华中农业大学植物科学技术学院的副教授陈桃（密歇根州立大学访问学者）、中科院分子植物科学卓越创新中心的辛秀芳研究组与王二涛研究组等合作完成。华中农业大学植物科学技术学院陈桃、密歇根州立大学Kinya Nomura、分子植物卓越中心王孝林、姚玲娅等共同参与完成课题。中科院分子植物科学卓越创新中心的辛秀芳研究员和密歇根州立大学的何胜洋教授是该论文的共同通讯作者。该项工作得到了中国科学院分子植物科学卓越创新中心、美国National Institutes of Health和Department of Energy的经费支持。

作者简介

陈桃 副教授

陈桃，华中农业大学植物科学技术学院副教授。主要从事植物与微生物互作机理的研究，研究的微生物包括：病原菌原生动物类的根肿菌、病原真菌核盘菌和灰葡萄孢、病原细菌丁香假单胞菌、以及有益微生物根瘤菌。先后以第一作者或通讯作者在Plant Cell、Frontiers in Physiology、Frontiers in Microbiology、Scientific reports、Physiologia Plantarum等杂志上发表SCI论文6篇，以参与作者在PNAS、PLoS Pathogens、Plant Physiology、Plant Molecular Biology等杂志上发表SCI论文6篇。主持5项包括国家自然科学基金项目。积极参加国内重要学术会议并作大会报告，多次获得优秀报告奖。

辛秀芳 研究员

辛秀芳研究员，博导。2008中国农业大学生物学院本科，2014.于美国密歇根州立大学 DOE-Plant Research Laboratory获博士学位，并继续从事博士后科研工作，师从何胜洋院士，2017加入中科院上海植物生理与生态研究所任研究员。主要研究方向包括1. 病原菌的致病机制、2. 环境因素影响病原菌致病的分子机制、3. 植物与微生物群互作。在Nature、Nature Review Microbiology、Plant Physiol等杂志发表论文10余篇。

个人简介：http://www.sippe.ac.cn/sourcedb_sippe/zw/zjrc/201812/t20181219_5218220.html

实验室主页：http://xinlab.sippe.ac.cn/

何胜洋 教授

何胜洋院士是国际上植物病理学领域最顶尖的科学家之一，在植物病原菌致病机制和病原菌-寄主互作研究领域有多项开拓性发现。分别于1982年、1985年获得浙江大学（原浙江农业大学）学士、硕士学位，1991年获美国康乃尔大学博士学位。1995年起在美国密歇根州立大学和美国能源部植物研究实验室任职，2011年起被聘为美国霍华德•休斯医学研究所研究员，2012年被选为美国科学促进会会员，2013年被评为密歇根州立大学杰出教授，2014-2016年任植物-微生物分子互作国际学会主席，2015年当选美国科学院院士。现任PNAS, Current Biology和Molecular Plant等著名学术期刊的编委。何胜洋院士的工作集中于研究病原菌的致病机制、以病原物分子为探针揭示植物中的重要免疫因子及生物学过程，以及环境因素及微生物群对植物致病的影响。目前在“Nature、Cell、Science、PNAS、Plant Cell”等国际权威期刊发表学术论文130余篇，已被引用22672余次，2014-2019年连续入选汤森路透全球高被引科学家。

实验室主页：http://www.thehelab.org/

谷歌学术主页：https://scholar.google.com.hk/citations?user=d5HLoWUAAAAJ&hl=en&oi=ao

Reference

Tao Chen, Kinya Nomura, Xiaolin Wang, Reza Sohrabi, Jin Xu, Lingya Yao, Bradley C. Paasch, Li Ma, James Kremer, Yuti Cheng, Li Zhang, Nian Wang, Ertao Wang, Xiu-Fang Xin & Sheng Yang He. A plant genetic network for preventing dysbiosis in the phyllosphere. Nature, doi:10.1038/s41586-020-2185-0 (2020).

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2185-0

Nature在线发表华中农大陈桃副教授与密歇根州立大学合作研究成果

辛秀芳研究组合作发表植物叶际微生物群稳态维持的新进展

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学习扩增子、宏基因组科研思路和分析实战，关注“宏基因组”

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