植物-根际微生物间的相互作用化学和代谢组学揭示与防御启动和诱导系统抗性相关信号的潜力

  植物的根通过根际内的化学通讯与微生物以复杂的方式沟通，从而导致有益微生物的生物膜的形成，在植物生长促进根瘤菌/-细菌(PGPR)的情况下，导致防御的启动，或在植物寄主中诱导抗性。近年来，植物-植物以及植物-微生物相互作用的有了更深入的认识；然而，引发的化学通讯远非人们所知。此外，地下和地上植物生理过程之间的联系也增加了复杂性。在代谢组学研究中，主要目的是定性和注释参与生理过程的生物系统中的所有外代谢物和内源性代谢物。这一领域的最新进展使研究人员能够在短时间内分析一个样品中的100种化合物。在这里，重点介绍了通过LC-MS代谢组学研究根际(植物根与植物有益的根际细菌和真菌相互作用)和ISR或RMPP作为对抗病原体和植食性动物的环境友好方法。

  预先形成的屏障和植物免疫反应  

  植物使用预先形成的防御机制，旨在防止病原体进入和植食性动物取食(图1)。无论是在地面以上还是地面以下导致植物激活被称为微生物/病原体相关分子模式(MAMP)-触发免疫(MTI)的免疫应答，其依赖于通过细胞外跨膜受体(PRRs)检测保守的微生物标志分子(MAMPs)。一些病原体可以通过分泌效应分子来降低MTI，从而导致效应触发易感性(ETS)。为了克服这一问题，植物抗性(R)蛋白识别这些分子并激活第二道防线，这是一种称为ETI的快速而强健的反应，这与超敏反应(HR)有关。植物以类似于MAMP的方式识别由坏死、损伤或应激细胞产生的分子，并通过激活防御信号级联来响应。这些植物防御反应被严格控制，以尽量减少资源消耗和微调信号级联。这一关键作用是由植物激素如SA，JA，和ET作为必要的信号分子对局部和系统的反应。为了在植物和PGPR之间建立有效的共生关系，这些预先形成的屏障和先天免疫防御必须通过植物和微生物之间的化学交流来绕开(图1)。

  FIGURE 1 | Overview of physical barriers (waxes, suberin, callose, lignin, etc.) and innate immunity defenses (MTI and ETI) that presents obstacles to potentia microorganisms in establishing a beneficial interaction with plant roots.

  根际化学通讯  

  根际是地球上最复杂的生态系统之一，居住着各种生物，包括线虫、真菌、细菌和节肢动物。与块状土壤相比，根际细菌数量和活性增加，但多样性较低。已知植物对根际中发现的微生物群落产生选择性压力，并且群落水平分析揭示了与不同植物物种相关的微生物群落。这表明植物源代谢物在根际微生物群落中具有一定的作用。根际中常见的PGPR属包括：芽孢杆菌Bacillus、假单胞菌Pseudomonas、肠杆菌Enterobacter、不动杆菌Acinetobacter、Burkholderia、节杆菌和巴氏杆菌。这些有机体以复杂的方式相互作用并与植物相互作用，通过在根际建立的化学通讯实现(图2)。作为对基因表达改变的响应，植物随后释放一系列代谢物(级和次级)，正是通过这种沟通，相互关系才得以确立，这对于根系相互作用，养分可利用性，微生物积累以及土壤微生物群落的生物膜形成至关重要，以及对土传病原体的抑制作用。在这方面，代谢组学方法使研究人员能够识别和量化微生物分泌的化合物，并对根分泌物中的代谢物“混合物”进行分析。在这种相互作用中起着至关重要的作用(图3)。

  FIGURE 2 | Types of chemical-based interactions affecting plants.

  FIGURE 3 | Rhizosphere plant and microbial ‘signalomics’.

  利用代谢组学分析植物与根际微生物的相互作用  

  代谢组学作为先进的生物分析技术，结合化学统计学和生物信息学工具，可以对相互作用的代谢体的扰动进行表征(图4)。如前所述，根际可以包含不同微生物群落的光谱，构成非常复杂的化学环境。代谢组学旨在每次分析检测和定量100种化合物，非常适合分析复杂的相互作用，并有助于促进植物与根际内有机体之间相互反应的模拟。  

  从概念上讲，按照还原论的方法，植物、根际微生物和病原菌之间的三重相互作用可以单独和孤立地进行研究。例如，共同培养的代谢组学方法已经提出来评估细胞内代谢物(代谢指纹图谱)的宿主和病原菌及挤压(细胞外)代谢物(代谢足迹)。然而，为了充分评估在与病害和抗药性相关的条件下，由于这些三重性相互作用而在寄主植物中发生的变化，有必要通过不同的技术，包括宏基因组学和代谢组学将其结合在一起。这种新的分析宿主-病原体相互作用的代谢组学方法将有助于更好地了解它们的独立代谢和代表相互作用。

  FIGURE 4 | Background for metabolomics studies of signaling in the rhizosphere between plant hosts (left) and microorganisms within the rhizosphere (right).

  最近在分析仪器和分析方面取得的进展-高选择性，准确性和稳定性，并结合数据处理软件开发和公共数据库的可用性。因此，这些进展使研究人员不仅能够研究生物系统的一个方面，而且还能研究与周围环境的相互作用。下面总结适合于植物-微生物相互作用研究的适应性代谢组学工作流程中的主要事件并强调一些分析进展(图5)。

  FIGURE 5 | Flowchart for plant metabolomic studies.

  结论与展望  

  最近的研究强调了根际作为一个相互关联的生态系统的复杂性，这个生态系统由不同的微生物组成，可以通过不同的机制促进植物的生长。化学通讯在植物根系与PGPR之间建立相互关系中起着重要作用。此外，植物和PGPR都决定了在根际发现的PGPR群落。在试图解开根际信号组学的过程中，已发现几种代谢物，包括初级和二级代谢物，是植物根与PGPR之间的主要信使。在这里，根系分泌物和PGPR代谢物(难挥发性和挥发性)建立相互关系中扮演重要的角色。PGPR还能干扰与植物激素相关的信号，从而抑制或限制防御反应。PGPR不仅能促进植物生长，还能抑制不同植物病原的侵染。ISR/PGPR启动是植物根系与PGPR之间复杂的根际相互作用的结果，导致植物对次生刺激的防御反应增强。大多数关于ISR/PGPR启动的研究都是基于基因或转录的，很少有关于代谢组学的研究。然而，有限的研究表明，早期阶段涉及信号分子的生物合成，其次是初级和次级代谢的调节。当次级刺激随后被感知时，触发事件以增强的方式发生。这些不同的生理状态(na?ve、准备、启动和触发)反映在变化中，可以通过靶向代谢组学和非靶向代谢组学方法进行研究。然而，这类研究一般侧重于单一的有机体，而不是研究由植物、根际微生物和病原体组成的更为复杂的系统。通过生物和化学方面的技术进步，能够更详细地研究与微生物与植物相互作用有关的化学变化以及生化机制。因此，以植物生物群落为目标的代谢组学将是未来解决根际化学通讯复杂性的一种方法。

  参考文献  

  The Chemistry of Plant–MicrobInteractions in the Rhizosphere andthe Potential for Metabolomics to Reveal Signaling Related to DefensePriming and Induced SystemicResistan. Frontiers in Plant Science in petunia[j] Horticulture Research.2018. IF=4.298