综述：利用植物合成生物学加速植物-微生物互作研究

这篇综述系统阐述了植物合成生物学在解析植物-微生物互作机制中的前沿应用，涵盖病原体防御（PTI/ETI免疫通路）与共生关系（CSSP信号通路）的双向调控，重点介绍了多基因叠加（gene stacking）、合成受体工程（如NLR改造）及原位微生物组编辑（根分泌物调控）等创新策略，为设计抗病作物和人工共生体系提供了理论框架。

　　

植物合成生物学：解码植物-微生物互作的新钥匙

1. 引言

植物与微生物的互作从互利共生到病原侵袭呈现复杂谱系，直接影响生态系统稳定性和作物产量。传统分子生物学手段在解析单基因功能时存在局限，而合成生物学通过工程化设计（Design-Build-Test-Learn循环）为系统研究多基因协同作用提供了新范式。例如，通过重构根系形态或代谢通路，可精准调控微生物群落组成，从而增强植物对生物/非生物胁迫的适应性。

2. 植物-微生物互作的分子通路

2.1 植物抗病免疫通路
植物免疫系统包含两层防御：模式触发免疫（PTI）通过细胞表面受体（如RLK/RLP）识别病原相关分子模式（PAMPs），激活MAPK级联反应；效应触发免疫（ETI）则由胞内NLR蛋白感知病原效应子，触发超敏反应（HR）和系统获得性抗性（SAR）。两者通过钙信号（Ca²⁺
）和活性氧（ROS）交叉互作，形成协同防御网络。

2.2 共生信号通路
豆科植物与根瘤菌的结瘤信号依赖于脂壳寡糖（LCOs）被LysM受体识别，激活共共生信号通路（CSSP），引发核钙振荡（Ca²⁺
spiking）。丛枝菌根真菌（AMF）则通过分泌小分子蛋白（MiSSPs）抑制宿主免疫，促进营养交换。值得注意的是，类黄酮和独脚金内酯（SLs）等代谢物在微生物招募中发挥双重作用——既吸引有益菌又抑制病原体。

3. 合成生物学的应用突破

3.1 生物传感器工程
基因编码的钙离子传感器（如R-GECO1）和氧化还原探针（roGFP2-Orp1）实现了对微生物激发子（如flg22）的实时监测。近期开发的激素响应型荧光报告系统（COLORFUL系列）揭示了JA/SA信号在细胞特异性防御中的时空动态。

3.2 通路工程
通过异源表达独脚金内酯转运蛋白（PaPDR1），可显著增强菌根定殖效率。而工程化植物产生合成信号分子（如根瘤菌素scyllo-inosamine），能特异性激活PGPR的固氮基因，实现定向营养供给。

4. 抗病性与共生的人工设计

4.1 多基因叠加技术
将5个抗锈病基因（Sr22/Sr35等）整合为单一位点，使小麦对柄锈菌（Puccinia graminis）产生广谱抗性。类似策略在马铃薯中成功抵御晚疫病菌（Phytophthora infestans）。

4.2 合成受体改造
替换拟南芥PBS1蛋白的蛋白酶切割位点，可扩展RPS5受体对多种病原效应子的识别范围。更前沿的纳米抗体-NLR融合技术，实现了对荧光蛋白标记病毒的“按需免疫”。

5. 微生物组的原位编程

5.1 根系分泌物调控
增加蔗糖或D-半乳糖分泌可促进芽孢杆菌（Bacillus spp.）的生物膜形成，而特定类黄酮能富集解磷微生物。土壤环境对分泌物生物利用度的影响（如有机质吸附）是设计时需考量的关键参数。

5.2 跨物种基因调控
植物源小RNA通过外泌体递送至病原菌（如灰霉菌Botrytis cinerea），沉默其毒力基因（Bc-DCL1/2）。杨树分泌蛋白PtSSP1能调控外生菌根真菌（Laccaria bicolor）的菌丝形态，暗示了跨界信号传导的可编程性。

6. 挑战与展望

当前瓶颈包括转基因生物安全性、基因沉默风险以及微生物组编辑的生态副作用。新兴工具如CRISPRi基因回路和整合酶介导的位点特异性插入（如ΦC31）有望提升调控精度。结合多组学网络分析（如MENTOR算法），未来或可设计“通用免疫开关”和正交通讯系统，实现植物-微生物互作的按需定制。