PNAS | 张慧明团队发现植物感知细菌群体感应信号并启动三重免疫防御

细菌的群体感应机制帮助病原菌协调毒力因子分泌和生物被膜形成等群体行为，这对宿主而言意味着威胁的升级，但植物能否主动感知这些信号并做出针对性反应一直缺乏直接证据。2近日，中国科学院上海植物逆境生物学研究中心、分子植物科学卓越创新中心以及宁波东方理工大学张慧明研究团队在PNAS上发表了题为“Perception of a bacterial quorum sensing signal activates a tripartite plant immune strategy”的研究论文，他们发现拟南芥能够感知铜绿假单胞菌释放的挥发性群体感应信号分子2′-氨基苯乙酮，并且通过细胞内免疫激活、胞外群体淬灭和根际微生物组重塑这三道防线来抵御病原菌的入侵。

研究团队首先验证了2′-AA是否真的能在植物中引发免疫反应，他们用200微摩尔浓度的2′-AA处理拟南芥、水稻和白菜后，这些植物对铜绿假单胞菌和丁香假单胞菌的抗性都明显增强了。2′-AA本身并不能直接抑制这两种细菌的生长，所以抗性的提升只能归结为植物自身免疫系统的调动。他们观察到2′-AA处理后的植物叶片中气孔孔径在30分钟内显著缩小，胼胝质沉积也增多了，这些都是植物抵挡病原菌进入组织的物理屏障。同时FRK1等免疫标记基因的表达水平上升了，活性氧也出现了持续累积，虽然这种累积的动力学比flg22引发的爆发式反应要慢得多，但12小时后总量达到了相近的水平。转录组分析显示2′-AA调控的差异表达基因中有超过87%与flg22调控的基因重叠，这些基因主要富集在免疫应答和细菌响应等生物学通路中，说明2′-AA确实激活了植物核心的模式触发免疫程序。

在解析2′-AA感知的分子机制时，研究团队发现BAK1共受体对这个信号通路的激活至关重要，bak1突变体中2′-AA引发的活性氧产生和FRK1表达都显著受损了。有意思的是fls2突变体中活性氧产生并没有受到明显影响，只是基因表达有所下降，这说明FLS2这个已知的鞭毛蛋白受体在2′-AA感知中只扮演了次要角色。CERK1则完全不参与这个过程，体现了受体复合物组成的特异性。活性氧的产生主要依赖于RBOHD这个NADPH氧化酶，rbohd突变体中2′-AA引发的活性氧几乎消失了，rbohf突变体也表现出一定程度的缺陷但程度较轻。研究团队还将2′-AA预处理过的植物叶片接种了表达AvrRpt2效应蛋白的丁香假单胞菌，这种菌株能够在植物叶片上诱发效应子触发免疫并导致局部细胞坏死，他们发现2′-AA预处理能够显著减轻坏死程度，但这种保护效应在bak1和bak1 bkk1双突变体中完全消失了，进一步佐证了BAK1在2′-AA信号通路中的核心地位。

除了细胞内部的免疫激活，研究团队还发现2′-AA处理后的拟南芥根系向周围环境中分泌了更多的乙酸，气相色谱-质谱分析显示乙酸是19种丰度变化的代谢物中上升幅度最大的一个。他们进一步验证了乙酸的抗细菌效果，发现它虽然对铜绿假单胞菌的增殖抑制有限，但能够显著破坏生物被膜的结构并抑制新的生物被膜形成，同时也削弱了细菌的蹭行运动、群集运动和丛集运动能力，还减少了绿脓菌素这种重要毒力因子的产生。转录组分析显示乙酸处理后的铜绿假单胞菌中与生物被膜组装相关的tad机器基因表达下调了，III型分泌系统和藻酸盐合成相关基因也被抑制了，群体感应调控基因lasR、qscR和MvfR的表达同样受到压制，而编码群体淬灭乳糖酶的RS23375基因则被上调了。这些结果表明植物释放的乙酸能够在自身组织之外直接干扰病原菌的群体行为和毒力表达。

在更宏观的生态尺度上，研究团队分析了2′-AA处理对拟南芥根际微生物组的影响，16S rRNA测序数据显示处理组的微生物丰富度和香农多样性指数都显著高于对照组。在423个丰度发生显著变化的扩增子序列变体中，有312个在处理组中丰度上升了，只有33个下降了，并且这些变化的ASV绝大多数集中在根际而非根内组织。下降的ASV中假单胞菌科占了36.46%的最大份额，而其他优势菌群如黄杆菌科和丛毛单胞菌科的相对丰度则没有受到抑制。这种选择性地压低假单胞菌类群并提升整体多样性的生态调控策略，为植物在面临病原威胁时争取到了更有利的微生物伙伴环境。该研究将植物免疫的视野从细胞层面扩展到了胞外化学干预和根际生态操纵的维度，揭示了植物在自然环境中应对病原细菌威胁时的一套精妙而完整的防御体系。

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