肠杆菌SA187与植物共同协调硫代谢调控植物耐盐胁迫

原文标题Coordinated bacterial and plant sulfur metabolism in Enterobacter sp. SA187–induced plant salt stress tolerance

译名肠杆菌SA187与植物共同协调硫代谢调控植物耐盐胁迫

期刊PNAS

IF12.779 (Q1)

作者单位University of North Carolina at Chapel Hill

文章链接https://doi.org/10.1073/pnas.2107417118

关于植物内生菌和植物之间到底发生了什么？

它们是如何友好地生活在一起的？

本篇文章带你探寻植物深处的秘密。

研究背景

植物生长促进细菌(PGPB)具有与植物建立互惠共生关系的能力，从而促进植物的生长。PGPB可以使用不同的策略来降低植物对生物和非生物胁迫的敏感性，促进植物的生长，增强植物对病原菌的抗性。在过去的几十年里，PGPB作为生物技术产品引起了人们的兴趣，在农业中作为传统化肥和杀虫剂的替代品。

SA187是一种内生PGPB，它是从沙特阿拉伯吉赞地区内源沙漠植物Indigofera argentea的根瘤中分离出来的。SA187已经被描述为在沙漠耕作条件下在作物紫花苜蓿中和在实验室条件下在模式植物拟南芥中促进多重胁迫耐受性。

小编：这就是文章的一位主角啦，还有一位是哪里都少不了的拟南芥。

研究意义

虽然植物生长促进细菌(PGPB)提高了植物的生长性能，但到目前为止，人们只发现了几种机制。SA187对拟南芥在耐盐胁迫中起着关键作用。盐胁迫诱导植物的硫饥饿反应，这种反应可被SA187减弱。拟南芥硫代谢突变体对盐胁迫敏感，但可被SA187恢复。大多数植物的硫代谢发生在叶绿体中，并与胁迫诱导的活性氧积累有关，而SA187抑制了这种积累。这项工作揭示了植物的耐盐性需要有益微生物和寄主植物中硫代谢途径的协同调节。

实验方法  转录组测序及分析，显微镜观察，电感耦合等离子体-光学发射光谱(ICP-OES)分析，人工 microRNA拟南芥突变体，硝基蓝四氮唑染色。

技术路线

小编:嗯哼，技术路线不算复杂吧。

实验结果

1.探究在与拟南芥相互作用下SA187代谢途径的改变1.1拟南芥共同生长下SA187转录组分析

为了了解SA187与拟南芥根的内生相互作用所诱导的过程，进行了RNA-Seq分析，并用qRT-PCR验证。根据SA187的转录组数据，无论有无盐，SA187与拟南芥内生间的相互作用都诱导了细菌转录组的显著变化。添加100 mM的氯化钠对自生和内生SA187(SB与B，SPB与PB)的基因表达只有很小的影响。用电子显微镜评价SA187与拟南芥根的相互作用以及细菌增殖水平，发现其在无盐和有盐条件下都是相似的。

1.2参与运动性、趋化性、群体感应和生物膜形成的基因在SA187中在与拟南芥相互作用时被诱导

在SA187与拟南芥的内生相互作用过程中，参与寄主植物定殖的生物学过程，如趋化性、鞭毛组装、群体感应(QS)和生物膜形成等基因都受到上调，如鞭毛蛋白Flc；甲基接受趋化蛋白和参与控制鞭毛组装的信号级联的两组分系统(TCS)CHEA/CHEB，以及趋化蛋白Chew和CHEZ；QS、QSec/QseB和FusK/FusR；AI-2转运蛋白(LsrBCDA)以及LSR操纵子转录抑制因子LsrR和终止子LsrF；此外，还有一些参与生物膜形成的基因，包括卷曲纤维生物合成复合体的亚基：CsgB和CsgC，以及聚N-乙酰-氨基葡萄糖(PGA)合成酶亚基PgaA和PgaC。

小编：嘿嘿，建议不搞细菌微生物的伙伴们可以自动略过这些基因名，嗯~还有下面的好多基因。

1.3SA187在与拟南芥的内生相互作用过程中，诱导营养物质和代谢产物的运输，以及碳代谢和氧化磷酸化

在SA187内生状态下，参与葡萄糖、蔗糖、2-O-α-甘露醇-D-甘油酸酯、纤维二糖和β-葡萄糖苷输入的磷酸转移酶系统(PTs)被强烈上调。许多ABC转运蛋白也被上调。细菌碳水化合物代谢相关基因大量上调。SA187优先利用TCA循环在植物中以GTP和NADH的形式产生能量。氧化磷酸化，即产生几乎所有重要过程所需能量的代谢过程，在相互作用过程中上调。

1.4拟南芥对SA187初级和次级代谢网络的修饰

在与拟南芥相互作用时，SA187 ABC转运蛋白和PTS的强烈上调表明植物从寄主那里主动吸收多种营养物质。为了评估内生SA187基因的表达谱是否主要受寄主植物的糖供应所驱动，分析了40个内生SA187标记基因在添加1%蔗糖的培养基中生长过程中的表达。在标记基因中，43%的基因表现出类似于内生状态的表达谱，表明养分供应是调节SA187代谢的主要驱动因素。然而，57%的细菌基因对添加蔗糖到生长介质中没有反应，这表明在拟南芥相互作用过程中，额外的因素也是改变SA187代谢网络的原因。

小编：植物所提供给内生菌的不止糖那么简单，还有其他物质等待发掘。

1.5与拟南芥的相互作用改变了SA187细菌的硫代谢

在与拟南芥相互作用时，负责动员土壤硫的SA187 ASLA基因与ABC硫酸盐转运蛋白CysPUWA平行上调。当SA187摄取后，硫酸盐腺基转移酶(CysND)将硫酸盐转化为APS(50-磷酸腺苷)，然后是腺苷激酶(CysC)，生成P-APS(30-磷腺苷-50-磷酸)，然后转化为亚硫酸盐。SsuABC转运体的上调扩大了SA187从环境中使用烷基硫酸盐的可能性。同样，依赖于FMNH2的磺酸盐单加氧酶(SsuD)也被上调。半胱氨酸激酶(CysK)将亚硫酸盐还原为硫化物后，催化合成L-半胱氨酸。参与L-半胱氨酸转换为L-蛋氨酸的酶，CBS，Tch和Mete，以及Mete转录调节因子Metr，在SA187与拟南芥的相互作用中也高度上调。此外，编码蛋氨酸挽救途径TyrB、MtnN、MtnK、MtnC、MtnD和sped的基因在植物相互作用中显示出显著的上调。

这些结果表明，SA187与拟南芥的相互作用强烈地诱导了整个硫代谢，而不仅仅是蛋氨酸循环途径。

小编：看出作者在代谢途径的分析上花了不少功夫，别担心，集思慧远可以帮您。

2.内生SA187相互作用对拟南芥代谢的影响

2.1SA187提高了拟南芥根中的硫水平

接下来，作者对在无盐和100 mM盐条件下培养了21d的拟南芥在没有SA187或存在SA187的情况下进行了电感耦合等离子体-光学发射光谱(ICP-OES)分析。有趣的是，在盐胁迫下，内生SA187的拟南芥根中的硫水平显著高于无SA187的拟南芥的根，但在地上部没有。

2.2硫酸盐对拟南芥的耐盐性有正向影响

据报道，增加基质中的硫酸盐浓度也有助于植物抵御盐胁迫条件。因此，作者比较了SA187内生植物在盐胁迫条件下(对照，1/2MS+100 mM NaCl，0 mM MgSO4)和在培养基中添加MgSO4(处理，1/2MS+100 mM NaCl，1 mM MgSO4)的生长情况。添加硫酸盐时植物表现出与添加SA187类似的显著有益效果。100 nM L-蛋氨酸、L-半胱氨酸和硫酸镁表现出类似的有益作用，与SA187在植物中内生时的作用范围相同。

2.3SA187调控拟南芥中硫代谢相关基因的表达

为了更深入地了解根内生菌SA187诱导的拟南芥植株的变化，作者建立了21d龄的植株的根和地上部转录组，这些植株在没有SA187或存在SA187的情况下生长在100 mM的氯化钠上，或者用100 nM的KMBA9（SA187活性化合物）处理，与100 nM的乙烯前体ACC作为阳性对照相比较。RNA-Seq数据表明SA187在三种条件下分别诱导了植物组织中不同数量基因的上调和下调表达，值得注意的是，这些DEG是针对地上部和/或根组织的，植物组织之间的共同DEG数量很少（图E）。这一观察结果支持有益微生物SA187的组织特异性效应的假说，尽管在盐胁迫下总体上有益生长。

通过GO基因分析，更精细地揭示了根和地上部硫代谢基因的显著调节(图D)。在地上部和根部，硫酸盐转运蛋白(SULTR)、三磷酸腺苷硫酰转运酶(ATPs)、APS激酶(APK)、APS还原酶(APR)、硫酸盐还原酶SIR1以及几种硫调控的转录因子如SLIM1、EIL2、EIN3和EIL1的转录水平与不加SA187植物相比受到不同的调节(图D)。有趣的是，这些基因中的许多都是硫调节因子的一部分，不仅调节硫的代谢，而且是硫代葡萄糖苷生物合成和乙烯信号通路的关键因子。

2.4硫吸收在SA187诱导拟南芥耐盐胁迫中的作用

作者发现SA187增加了盐胁迫下拟南芥根中的硫水平，并增强了硫调节因子一些成员的基因表达，表明SA187可能直接影响拟南芥对硫的吸收或代谢。为了测试硫酸盐吸收途径在SA187与拟南芥的有益互作中的作用，作者分析了一些硫代谢突变体。sultr1；2(34)、apk1 apk2(35)、apr2(36)、sir1(37)和fry1(38)突变体对盐胁迫敏感，但可以通过SA187的内生显著恢复。应该注意的是，所有突变株在正常生长条件下都已经在一定程度上影响了生长，但SA187仅对盐胁迫下的强生长抑制表型起到实质性的挽救作用。

大多数硫吸收酶定位在叶绿体中，内生SA187的拟南芥在盐胁迫下继续生长，并且没有表现出光合作用相关基因的下调。

 2.5SA187抑制盐胁迫下拟南芥体内ROS的积累

盐胁迫诱导叶绿体产生ROS，使整个光合作用机制的下调。监测生长在0或100 mM盐中的SA187定植植株的O2-水平。如硝基蓝四氮唑染色所示，SA187在非应激条件下不改变超氧阴离子自由基水平，在SA187侵染后，盐胁迫诱导的拟南芥植物中ROS水平的增加显著减少(lsuC为突变体)。

2.6SA187抑制LSU突变体的过敏性表型

有报道显示低硫上调(LSU)基因家族(LSU1-LSU4)在保护盐胁迫条件下的光合作用发挥作用。LSU家族被证明直接相互作用并激活叶绿体超氧化物歧化酶FSD2，因此在调节叶绿体超氧阴离子自由基水平方面发挥作用。为了测试 SA187 与拟南芥中 LSU 网络的潜在相互作用，作者测试了 amiR-LSUc 系，该系表达靶向拟南芥中LSU基因家族的所有四个成员的人工 microRNAs (amiRNAs)。正如预期的那样，lsuC 系在盐胁迫条件下表现出更强的 ROS 积累，证实了其在ROS保护中的作用。有趣的是，盐胁迫lsuC植物的ROS积累在SA187内生后被完全抑制。表明 SA187 通过 LSU 途径抑制拟南芥盐胁迫诱导的质体中 ROS 积累。

结论

肠杆菌属。SA187是一种在非生物胁迫条件下维持植物生长和产量的根内生细菌。在这项工作中，作者比较了拟南芥和SA187在自由生活和内生相互作用状态下的代谢路线。SA187与拟南芥的相互作用导致细菌在趋化、鞭毛生物合成、群体感应和生物膜形成等方面的基因表达发生了巨大变化。除了改变细菌的碳代谢和能量代谢外，各种营养和代谢物转运体以及整个硫途径都被上调。

在盐胁迫下，拟南芥类似于硫酸盐饥饿下的植物，但加入SA187培养则不同，SA187重新编程了拟南芥的硫调节因子。相应地，SA187与添加硫酸盐、L-半胱氨酸或L-蛋氨酸一样，部分或完全地挽救了多个拟南芥硫代谢突变体的盐敏感性。SA187部分挽救了叶绿体中硫代谢的许多成分。SA187抑制盐诱导的活性氧积累、挽救LSU突变体的盐敏感性。

（LSU编码一个中央调节器，将硫代谢与叶绿体超氧化物歧化酶活性联系起来。有益微生物和寄主植物中硫代谢途径的协同调节是拟南芥耐盐所必需的，也可能是不同有益微生物用来减轻不同非生物胁迫对植物伤害的共同机制。）

小编总结

这篇文章篇幅是不短的，研究内容也很是丰富，行文逻辑、分析讨论很是全面，不愧是发在PNAS上的文章！但整篇文章涉及的实验方法和技术路线还是不难的，只要您有想法，有思路，集思慧远与您携手共同赢得高质量文章！