シロイヌナズナにおける適切な免疫能の制御における真生物微生物叢の重要な役割

Nature Plants (2023)この記事を引用

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微生物が植物の免疫応答を異所的に刺激したり抑制したりできることは多くの研究で示されているが、植物の免疫応答の適切な発達には既存の微生物叢全体が本当に必要なのかという根本的な疑問は未解決のままである。最近開発された泥炭ベースのノトバイオティック植物成長システムを使用して、自然の微生物叢の不在下で栽培されたシロイヌナズナは、植物免疫応答の年齢依存的な成熟を欠き、パターン誘発免疫のいくつかの側面に欠陥があることを発見しました。無菌植物は、細菌性病原体 Pseudomonas syringae pv による感染に対して過敏性を示しました。トマト DC3000 および真菌病原体ボトリチス・シネレア。微生物叢を介した免疫能力は、栄養豊富な条件によって抑制され、宿主、微生物叢、非生物的環境の間の三者相互作用が示唆されました。健康なシロイヌナズナ植物の葉内圏からの48の培養可能な細菌株で構成される合成微生物叢は、土壌由来群集を接種した植物と同様の免疫能力を実質的に回復することができた。対照的に、52 メンバーの遺伝子異常合成葉微生物叢は免疫トランスクリプトームを過剰刺激しました。まとめると、これらの結果は、植物の適切な免疫能力と年齢依存性免疫の制御における真生物微生物叢の因果的役割の証拠を提供します。

陸上植物の地上部と地下部にはさまざまな微生物が生息しており、それらが集合して植物微生物叢を構成します。微生物叢のメンバーは植物の表面または内部に存在することがあり、分類学的には門レベルで保存されているようです1、2、3、4、5、6、7、8。植物微生物叢の広範な保存は、植物がホメオスタシスを達成するために微生物叢の存在量、組成、機能を選択し維持するメカニズムをおそらく進化させてきたことを示唆しています9。最近の研究で、遺伝的に誘導された異常微生物叢が植物の健康に及ぼす悪影響が明らかになり始めているため、正しく組み立てられた微生物叢（つまり、善生物微生物叢）は、おそらく植物の健康と生存にとって不可欠であると考えられます10、11、12、13。微生物叢の個々のメンバーまたはメンバーのグループは、栄養素の取り込み、成長、非生物的および生物的ストレスに対する耐性を改善することが示されています1、2、14、15、16が、植物の機能に対する植物固有の微生物叢全体の寄与はよく理解されていません。これは主に、群集レベルでの微生物間相互作用および微生物と植物の相互作用が十分に分析されていないことに起因します。

植物微生物叢のさまざまなメンバーは、植物と相利的、共生的、または病原性の相互作用を形成する可能性があります。微生物による潜在的に有害な搾取から身を守るために、植物は進化的に保存された微生物関連分子パターン（PAMP）または病原体由来のエフェクタータンパク質を認識する細胞表面および細胞内免疫受容体を進化させ、その結果パターン誘発免疫（PTI）またはエフェクター誘発免疫をもたらします。それぞれ免疫（ETI）。 ETI は病原体に特異的であるように見えますが、PTI は病原性微生物と非病原性微生物の両方に対する植物防御の基礎線であり、腸内細菌叢の異常を防ぐためにシロイヌナズナの真正生物葉圏微生物叢を維持するために必要です 10,11。 PTI シグナル伝達は、細胞膜局在パターン認識受容体 (PRR) による PAMP の認識により開始されます 17。例えば、細菌フラジェリン由来の 22 アミノ酸エピトープ (flg22) は、よく特徴付けられた PTI 誘発物質であり、PRR FLAGELLIN-SENSITIVE 2 (FLS2) によって認識されます (参考文献 18)。 FLS2は、共受容体ブラシノステロイド非感受性1関連受容体キナーゼ1（BAK1）と複合体を形成します（参考文献19）。 FLS2、BAK1、ボトリチス誘導キナーゼ 1 (BIK1) と MAPK カスケードの間のリン酸リレーは、活性酸素種 (ROS) の生成、カルシウム流入、一連の防御関連遺伝子の発現、細胞の制御などの下流 PTI シグナル伝達イベントを開始します。壁のリモデリングと気孔閉鎖20、21、22、23、24、25。感染前の PTI の活性化によっても、病原体耐性が強化される可能性があります 26,27。

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>