Nature:何勝洋和辛秀芳組發表植物葉際微生物組穩態機制

植物遺傳網絡維持葉際微生物組穩態

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(陳桃)1,2,3,8, Kinya Nomura1,8

通訊作者：Xiu-Fang Xin(辛秀芳 [e-mail])4,7 & Sheng Yang He (何勝洋 [e-mail])1,3,5

Colin Hill（[e-mail]）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(王二濤)4

作者單位：

美國密西根州東蘭辛市，密西根州立大學植物能源系(Department of Energy Plant Research Laboratory, Michigan State University, East Lansing, MI, USA)

華中農業大學農業微生物學國家重點實驗室，中國武漢(State Key Laboratory of Agriculture Microbiology, Huazhong Agricultural University, Wuhan, China)

美國密西根州東蘭辛市，密西根州立大學霍華德·休斯醫學院(Howard Hughes Medical Institute, Michigan State University, East Lansing, MI, USA)

中國科學院卓越分子研究中心植物分子遺傳學國家重點實驗室，中國科學院植物生理生態研究所，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)

密西根州立大學密西根州立大學，植物抗逆研究所美國(5Plant Resilience Institute, Michigan State University, East Lansing, MI, USA)

美國佛羅裡達州，阿爾弗雷德湖佛羅裡達大學，食品與農業科學研究，所微生物與細胞科學系柑橘研究與教育中心(Citrus Research and Education Center, Department of Microbiology and Cell Science, Institute of Food and Agricultural Sciences, University of Florida, Lake Alfred, FL, USA)

中國科學院植物生理與生態研究所，CAS-JIC植物與微生物科學卓越中心（CEPAMS），中國上海(CAS-JIC Center of Excellence for Plant and Microbial Sciences (CEPAMS), Institute of Plant Physiology and Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China)

簡訊

北京時間2020年4月8日，Nature在線發表了題為」A plant genetic network for preventing dysbiosis in the phyllosphere」的研究論文，該研究率先開啟了植物學的新領域——植物菌群失調與植物健康之間的關係。美國密西根州立大學訪問學者、華中農業大學植物科學技術學院的副教授陳桃和密西根州立大學的博士後Kinya Nomura為該論文的共同第一作者。中國科學院分子植物科學卓越創新中心、中科院植物生理生態研究所的辛秀芳研究員和密西根州立大學的Shengyang He (何勝洋)院士為該論文的共同通訊作者。該研究對認識植物葉際微生物群的穩態維持機制以及植物微生物組領域向功能性研究轉變實現了重要推動。

背景

植物的地上部分可統稱為葉際/葉圈/葉圍(phyllosphere)，而這其中的葉片組織是植物進行光合作用和能量代謝的中心部位。與植物根部類似，植物葉片的表面和內部存在細菌、真菌等微生物群；但是相比對植物根際微生物群的許多研究，目前對植物如何控制葉際微生物群的穩態以及葉際微生物群的平衡如何影響植物健康生長還知之甚少。

正文簡介

植物葉片上生存著大量不同種類的微生物，有益微生物和有害微生物與植物長期共存，但植物控制這些葉際微生物並維持自身健康的機制尚不明確。

2016年，密西根州立大學何勝洋教授團隊在Nature上發表的科研成果揭示了一種細菌感染植物的新機制（Xin et al., Nature 2016），即細菌除了能抑制植物的免疫系統之外，也會在植物體內產生一種潮溼的環境，加上高溼度的條件，容易引發植物病害。

在該研究的基礎上，作者團隊利用擬南芥四突變體mfec (min7 fls2 efr cerk1)在高溼度的條件下顯現出黃化和壞死的病症的特點，通過16S rRNA基因擴增子測序檢測了健康葉片（野生型，Col-0）和不健康葉片（突變體，mfec）葉片總微生物組和葉內微生物組，結果表明，健康葉片和不健康葉片的總微生物組的多樣性沒有顯著差異，但是葉內微生物組的豐度和多樣性均有顯著的變化，不健康的葉片內部微生物的多樣性降低，從Firmicute-rich的群體轉化為Proteobacteria-rich的群體（圖 1）。

圖1. Col-0野生型和mfec突變體葉總和葉內微生物組

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葉內和全部葉片細菌的數目。c和d，微生物組測序分析Col-0和mfec葉內和全部葉片的細菌種類的多樣性及相對豐度分析。

圖2. Col-0野生型、fec、min7和mfec突變體葉內微生物組

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

a，b，Shannon指數（a）和群落水平上細菌門和變形菌綱的相對豐度（b），從擬南芥混有SynComCol-0的土壤中生長的植物的內生葉細菌的16S rRNA基因擴增子測序結果。數據表示和統計分析如圖1c，d所示。n = 20（Col-0），n = 19（fec），n = 19（min7）和n = 19（mfec）生物學重複通過了4個獨立實驗的質量控制。c，d，將植物移至高溼度（約95％）後6天，在5周齡的植物中內生葉片微生物群的種群大小（c）和葉片外觀（d）。帶有Tukey測試的單向方差分析。數據為平均值±s.e.m.，n = 3個生物學重複；實驗重複了四次，結果相似。

研究還通過構建合成菌群體系（SynComCol-0 和SynCommfec），並在「無菌植物培養系統」（Gnotobiotic system）探索了合成菌群體系的功能，結果表明，菌群失調的SynCommfec的確會導致植物不健康（dysbiotic）（圖 3）。

圖3 SynComCol-0 和 SynCommfec影響植物健康的功能比較

Fig. 3 | Functional effect of SynComCol-0 and SynCommfec on plant health

a和b，野生型擬南芥在平板上生長，接種SynComCol-0 或者 SynCommfec菌液，14天後的表型（a）及生物量統計（b）；c和d，野生型擬南芥在無菌系統GnotoPots上生長，接種SynComCol-0 或者 SynCommfec 菌液26天後的表型（c）及葉片面積（d）；e和f, SynComCol-0 或者 SynCommfec 菌液注射到野生型擬南芥葉片內部，濃度為108CFU/ml, 5天後葉片表型（e）及葉片內部細菌的數目（f）。

隨後，他們進一步研究了mfec突變體喪失維持微生物組多樣性的機制。研究通過體內和體外的細菌互作，證明細菌拮抗作用存在推測在mfec植物體內，因為免疫途徑（Pattern-triggered immunity）和MIN7途徑的缺失，導致細菌在突變體內過度增殖，從而使Firmicute和Proteobacteria發生拮抗作用，進而導致菌群的多樣性減少，菌群失調，最終使得植物葉片顯症。同時，通過對與mfec相似表型的另外一個突變體ben3（big2cad1S205F, 表型依賴於cad1S205F）的研究發現，CAD1可能是控制葉內微生物數目和多樣性的一個關鍵下遊基因(圖4)，CAD1、Pattern-triggered immunity(PTI)途徑和MIN7途徑共同調控葉內微生物的數目和多樣性，阻止菌群失調，維持植物的健康。

圖4. ben3突變體上的微生物組表型

Fig. 4 | Microbiota phenotypes in the ben3 mutant

a，b，在擬南芥中生長的Col-0和ben3（以下稱為cad1S205F）植物中的葉片外觀（a）以及總內生葉片微生物群（b）在植物生長前將混合有SynComCol-0的土壤混合4周置於高溼度（約95％）下2天（請參見方法）。帶有Tukey測試的單向方差分析。數據為平均值±s.e.m.，n = 6個生物學重複。c，補充SynComCol-0的Col-0和cad1S205F植物中內生葉細菌的16S rRNA基因測序的香農指數。數據表示和統計分析如圖1c所示。n = 20（Col-0）和n = 20（cad1S205F）生物學重複。d，e，Col-0（e）和min7（f）植物中CAD1蛋白的蛋白質印跡分析。用1 μM flg22滲透5周齡的Col-0和min7葉子，並在指定的時間點收集。用CAD1抗體檢測到CAD1蛋白；非特定頻段顯示相同的負載。未裁剪的凝膠圖像顯示在補充圖1中。該圖中的所有實驗均重複了3次，結果相似。

此研究率先開啟了植物科學新領域葉際微生物群失調與植物健康的關係（附圖9）。有意思的是，植物就像人類一樣，已經進化出一個遺傳網絡來調控微生物菌群的穩態來維持植物的健康，而且該網絡中的某些要素和調控方式與人類極為相似（例如已發現人類腸道微生物群失調會導致多種疾病）。

附圖9. 植物控制葉內微生物組的模型

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

a，補充了SynComCol-0的Col-0和cad1S205F植物中內生葉細菌的16S rRNA基因測序菌群相對豐度圖。數據表示和統計分析如圖1d所示。n = 20（Col-0）和n = 20（cad1S205F）生物學重複。b，簡化的模式圖描述了模式觸發的免疫(PTI)信號，MIN7和CAD1是假定控制植物內生菌群遺傳框架的三個組成部分。以前已經證明MIN7參與調節葉質外體（leaf apoplast ，即細胞外空間extracellular space）中的愈傷沉積和含水微環境。c，野生型Col-0與mfec（或cad1S205F）葉內生微生物群的水平和組成發生較大變化，部分原因是通過變形桿菌和Firmicutes之間的競爭。b和c中的某些組件是使用biorender.com中的工具繪製的。

該工作發現的植物控制網絡中的關鍵基因廣泛存在於植物界中，也許不久的將來，可以通過改造植物中的這些基因來調控微生物群的穩態或者優化微生物群，以改善植物的健康生長和抵抗脅迫環境的能力，從而提高重要作物的產量和改良自然生態系統，為人類生活服務。

該工作由美國密西根州立大學何勝洋研究組、華中農業大學植物科學技術學院的副教授陳桃（密西根州立大學訪問學者）、中科院分子植物科學卓越創新中心的辛秀芳研究組與王二濤研究組等合作完成。華中農業大學植物科學技術學院陳桃、密西根州立大學Kinya Nomura、分子植物卓越中心王孝林、姚玲婭等共同參與完成課題。中科院分子植物科學卓越創新中心的辛秀芳研究員和密西根州立大學的何勝洋教授是該論文的共同通訊作者。該項工作得到了中國科學院分子植物科學卓越創新中心、美國National Institutes of Health和Department of Energy的經費支持。

作者簡介陳桃 副教授

陳桃，華中農業大學植物科學技術學院副教授。主要從事植物與微生物互作機理的研究，研究的微生物包括：病原菌原生動物類的根腫菌、病原真菌核盤菌和灰葡萄孢、病原細菌丁香假單胞菌、以及有益微生物根瘤菌。先後以第一作者或通訊作者在Plant Cell、Frontiers in Physiology、Frontiers in Microbiology、Scientific reports、Physiologia Plantarum等雜誌上發表SCI論文6篇，以參與作者在PNAS、PLoS Pathogens、Plant Physiology、Plant Molecular Biology等雜誌上發表SCI論文6篇。主持5項包括國家自然科學基金項目。積極參加國內重要學術會議並作大會報告，多次獲得優秀報告獎。

辛秀芳 研究員

辛秀芳研究員，博導。2008中國農業大學生物學院本科，2014.於美國密西根州立大學 DOE-Plant Research Laboratory獲博士學位，並繼續從事博士後科研工作，師從何勝洋院士，2017加入中科院上海植物生理與生態研究所任研究員。主要研究方向包括1. 病原菌的致病機制、2. 環境因素影響病原菌致病的分子機制、3. 植物與微生物群互作。在Nature、Nature Review Microbiology、Plant Physiol等雜誌發表論文10餘篇。

個人簡介：http://www.sippe.ac.cn/sourcedb_sippe/zw/zjrc/201812/t20181219_5218220.html

實驗室主頁：http://xinlab.sippe.ac.cn/

何勝洋 教授

何勝洋院士是國際上植物病理學領域最頂尖的科學家之一，在植物病原菌致病機制和病原菌-寄主互作研究領域有多項開拓性發現。分別於1982年、1985年獲得浙江大學（原浙江農業大學）學士、碩士學位，1991年獲美國康乃爾大學博士學位。1995年起在美國密西根州立大學和美國能源部植物研究實驗室任職，2011年起被聘為美國霍華德•休斯醫學研究所研究員，2012年被選為美國科學促進會會員，2013年被評為密西根州立大學傑出教授，2014-2016年任植物-微生物分子互作國際學會主席，2015年當選美國科學院院士。現任PNAS, Current Biology和Molecular Plant等著名學術期刊的編委。何勝洋院士的工作集中於研究病原菌的致病機制、以病原物分子為探針揭示植物中的重要免疫因子及生物學過程，以及環境因素及微生物群對植物致病的影響。目前在「Nature、Cell、Science、PNAS、Plant Cell」等國際權威期刊發表學術論文130餘篇，已被引用22672餘次，2014-2019年連續入選湯森路透全球高被引科學家。

實驗室主頁：http://www.thehelab.org/

谷歌學術主頁：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).

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2185-0

Nature在線發表華中農大陳桃副教授與密西根州立大學合作研究成果

辛秀芳研究組合作發表植物葉際微生物群穩態維持的新進展

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