微生物代谢特性调控本瑟姆烟草的植物生长与防御转录反应

《Plant Growth Regulation》：Microbial metabolic configuration modulates plant growth–defense transcriptional responses in Nicotiana benthamiana

　　

摘要

植物生长促进根际细菌（PGPR）可通过调节植物激素、诱导系统抗性以及抑制病原体来提升宿主适应性，但细菌代谢状态的变化是否独立影响植物的转录反应模式仍需进一步研究。在本研究中，我们比较了Nicotiana benthamiana对一种已鉴定的PGPR菌株（JS）以及一种经紫外线处理产生的突变体（MT）的全基因组转录反应。该突变体携带影响和基因的移码突变，这两个基因编码参与NAD?生物合成和碳代谢调控的酶。经过MT处理的植物保留了JS诱导的转录反应的方向性，但其反应幅度减弱，且各转录因子的相对贡献发生改变，这表明转录反应的方向性得以保持，但表达幅度降低，而非调控机制发生本质变化。JS处理会激活与能量代谢、萜类及苯丙素类化合物生物合成以及植物-病原体相互作用相关的途径，而MT则使代谢重点转向碳代谢和脂质代谢方面。激素相关分析显示，JS能促进以生长素、赤霉素以及茉莉酸/乙烯为核心的信号传导，而MT则表现出水杨酸与茉莉酸在信号传导中的权重差异，这说明细菌的代谢状态可能影响植物生长与防御相关激素平衡的差异。转录因子分析发现，在MT条件下，AP2/ERF、GRAS、Dof和MADS-box家族的转录因子表达发生改变，表明代谢紊乱会导致上游调控因子的表达发生变化。从表型上看，MT虽然降低了地上部分的生长促进作用，但仍保持了根系结构及抗真菌能力，这说明可通过代谢调控实现生长促进功能与抗病性之间的功能分离。这些研究结果表明，代谢状态发生改变的细菌可能会在不会改变转录反应方向性的情况下，导致植物生长和防御相关转录反应的定量差异，因此建议在可持续农业中开发下一代生物制剂时，将细菌代谢特征与菌株身份一起作为合理的筛选标准。