Arabidopsis의 적절한 면역 능력을 조절하는 데 있어 공생 미생물총의 중요한 역할

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많은 연구에서 미생물이 식물 면역 반응을 이소적으로 자극하거나 억제할 수 있다는 사실이 밝혀졌지만, 기존의 전체 미생물군이 실제로 식물 면역 반응의 적절한 발달에 필요한지 여부에 대한 근본적인 질문은 여전히 답이 없습니다. 최근 개발된 이탄 기반 무생물 식물 성장 시스템을 사용하여, 우리는 천연 미생물총 없이 자란 애기장대에서 식물 면역 반응의 연령 의존적 성숙이 부족하고 패턴 유발 면역의 여러 측면에서 결함이 있음을 발견했습니다. 무생 식물은 박테리아 병원체인 Pseudomonas syringae pv.에 의한 감염에 대한 과민성을 나타냈습니다. 토마토 DC3000 및 곰팡이 병원체 Botrytis cinerea. 미생물군 매개 면역능력은 풍부한 영양 조건에 의해 억제되었으며, 이는 숙주, 미생물군 및 비생물적 환경 사이의 삼자 상호작용을 나타냅니다. 건강한 애기장대 식물의 잎 내피에서 얻은 48종의 배양 가능한 박테리아 균주로 구성된 합성 미생물군은 토양 유래 군집을 접종한 식물과 유사한 면역 능력을 실질적으로 회복할 수 있었습니다. 대조적으로, 52명의 구성원으로 구성된 이상생물체 합성 잎 미생물군은 면역 전사체를 과도하게 자극했습니다. 함께, 이러한 결과는 식물의 적절한 면역 능력과 연령 의존적 면역을 조절하는 데 있어 공생 미생물총의 인과적 역할에 대한 증거를 제공합니다.

육상 식물의 지상 및 지하 부분에는 식물 미생물군을 구성하는 다양한 미생물이 서식합니다. 미생물군 구성원은 식물 내부 또는 내부에 거주할 수 있으며 문 수준에서 분류학적으로 보존된 것으로 보입니다1,2,3,4,5,6,7,8. 식물 미생물군의 광범위한 보존은 식물이 아마도 항상성을 달성하기 위해 미생물군의 풍부함, 구성 및 기능을 선택하고 유지하는 진화된 메커니즘을 가지고 있음을 시사합니다9. 최근 연구에서 유전적으로 유도된 미생물 불균형이 식물 건강에 미치는 해로운 영향이 밝혀지기 시작했기 때문에 올바르게 조립된 미생물군(즉, 공생 미생물군)은 아마도 식물 건강과 생존에 필수적일 것입니다10,11,12,13. 미생물군 구성원의 개인 또는 그룹이 영양 흡수, 성장, 비생물적 및 생물적 스트레스에 대한 저항성을 향상시키는 것으로 나타났지만1,2,14,15,16, 식물의 전체 토착 미생물군이 식물 기능에 미치는 기여는 잘 알려져 있지 않습니다. 이는 주로 지역사회 수준에서 미생물-미생물 및 미생물-식물 상호작용이 제대로 해부되지 않았기 때문입니다.

식물 미생물총의 다양한 구성원은 식물과 상호공생적, 공생적 또는 병원성 상호작용을 형성할 수 있습니다. 미생물에 의한 잠재적으로 유해한 이용으로부터 보호하기 위해 식물은 진화적으로 보존된 미생물 관련 분자 패턴(PAMP) 또는 병원체 유래 이펙터 단백질을 인식하는 세포 표면 및 세포내 면역 수용체를 진화시켜 패턴 유발 면역(PTI) 또는 이펙터 유발 면역을 생성합니다. 면역 (ETI). ETI는 병원체에 특이적인 것으로 보이지만, PTI는 병원성 및 비병원성 미생물 모두에 대한 식물 방어의 기본 라인을 나타내며, 장내 세균 불균형을 예방하기 위해 애기장대에서 공생적 필로스피어 미생물군을 유지하는 데 필요합니다10,11. PTI 신호전달은 원형질막에 국한된 패턴 인식 수용체(PRR)에 의해 PAMP가 인식되면 시작됩니다. 예를 들어, 박테리아 플라젤린(flg22)에서 유래된 22개 아미노산 에피토프는 PTI의 잘 특성화된 유도자이며 PRR FLAGELLIN-SENSITIVE 2(FLS2)에 의해 인식됩니다(참조 18). FLS2는 공동 수용체 BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1-ASSOCIATED RECEPTOR KINASE 1(BAK1)과 복합체를 형성합니다(참조 19). FLS2, BAK1, BOTRYTIS-INDUCED KINASE 1(BIK1)과 MAPK 캐스케이드 사이의 인광층은 반응성 산소종(ROS)의 생성, 칼슘 플럭스, 다양한 방어 관련 유전자의 발현, 세포의 발현을 포함한 하류 PTI 신호 이벤트를 시작합니다. 벽 리모델링 및 기공 폐쇄20,21,22,23,24,25. 감염 전에 PTI를 활성화하면 병원체 저항성이 향상될 수도 있습니다26,27.

1 and FDR < 0.05 cut-off (Benjamini–Hochberg-corrected Wald test) with the number of genes corresponding to each group indicated in parentheses. c, Heat map of DEGs generated using hierarchical clustering with Euclidean distance and complete linkage. Label superscript indicates community used for inoculation of HO plants or mock inoculation of AX plants. A subset of the differentially regulated genes in HO and AX is shown on right. d, Venn diagram of upregulated DEGs showed 138 common genes in response to HOMSU and HOMalaka treatments. e, GO term enrichment (GO:BP biological process) analysis on ‘core’ depleted DEGs in AX plants. Top enriched GO terms displayed, ranked by significance (FDR < 0.05 cut-off). a–e, n = 3 biologically independent plant samples per condition./p> 1 and FDR < 0.05 (Benjamini–Hochberg-corrected Wald test), with the number of genes corresponding to each group indicated in parentheses. e, GO term enrichment for upregulated DEGs in SynCommfec-colonized plants compared to SynComCol-0-colonized plants, ranked by significance (FDR < 0.05 cut-off). f, Heat map for selected genes from hierarchical clustering of all DEGs. Gene descriptions are listed in Supplementary Data 4. d–f, n = 3 biologically independent plant samples per condition./p> 1 and FDR < 0.05) (Fig. 6d and Supplementary Data 4). GO term analysis of the 609 DEGs upregulated upon colonization with SynCommfec vs SynComCol-0 showed an over-representation of GO terms associated with biotic stress and immunity (Fig. 6e and Supplementary Data 5). In addition, several immunity pathways including the systemic acquired resistance, PTI signalling and glucosinolate biosynthetic processes were upregulated. Further analysis showed that several dysbiosis-associated genes were involved in pathogenesis-related processes during biotic stresses, which are associated with immunity, cell death and its regulation (Fig. 6f). Collectively, our results showed that dysbiotic SynCommfec overstimulates immune gene expression compared with eubiotic SynComCol-0./p>95% relative humidity). Bacterial populations were determined 3 d after infiltration. For B. cinerea inoculation, spores were diluted in 1% Sabouraud Maltose Broth (BD, 242910) to a final concentration of 1 × 105 spores per ml. Two 2 μl droplets were spotted per leaf on three leaves per plant. Infected plants were kept at high humidity (>95% relative humidity). Lesions were imaged 5 d after inoculation and quantified using ImageJ v.1.51./p> 1 and FDR < 0.05 (calculated using default DESeq2 settings based on Benjamini–Hochberg-corrected Wald test) as selection criteria, and GO analysis was performed using ShinyGO (v.0.76.2) (ref. 62) with an FDR cut-off of 0.05 and 4 genes per group selection criteria./p> 159.1), SA (m/z 137.0 > 93.0) and SAG (m/z 299.1 > 137.0) on a Quattro Premier tandem mass spectrometer (Waters Corporation) in negative ion mode. The capillary voltage, cone voltage and extractor voltage were 3,500 V, 25 V and 5 V, respectively. The flow rates were 50 l h−1 for the cone gas (N2) and 600 l h−1 for the desolvation gas (N2). ABA-2H6 served as the internal standard for hormone quantification. MassLynx v.4.1 (Waters) was used for data acquisition and processing. Collision energies and source cone potentials were optimized using the MassLynx v.4.1 QuanOptimize package (Waters). Peaks were integrated and the analytes quantified on the basis of standard curves normalized to the internal standard./p>

1 and FDR < 0.05 (Benjamini-Hochberg corrected Wald Test) criteria in a comparison of HO plants (colonized by microbial communities from two different locations/soil types ‘MSU’ and ‘Malaka’) and SynComCol-0-colonizedplants with their corresponding AX control. b, A subset of the differentially regulated genes in HO and SynComCol-0 plants, compared to corresponding AX plants, is shown. Heat map of the DEGs was generated using hierarchical clustering with Euclidean distance and complete linkage. c-e, Gene Ontology (GO) term enrichment (GO:BP biological process) analysis on 213 common enriched DEGs in both HO and SynComCol-0, only in HO or only in SynComCol-0 plants, compared to their respective AX control plants. Top enriched GO terms are displayed, ranked by significance (FDR < 0.05 cutoff). The 213 enriched DEGs common in both HO and SynComCol-0 (panel c) showed highest fold enrichment for immunity-associated GO terms. GNSR genes present in the subset of 213 DEGs common in both HO and SynComCol-0 are marked in red in panel b. a-e, n = 3 biologically independent plant samples per condition./p>