植物微生物专题|非零和博弈——细菌与植物的“友好合作”
达尔文说过“生物之间的相互关系是一切关系中最重要的。”生物之间的共生是一种极为普遍的生命活动和生态现象，“非零和”互利共赢的状态让生存关系更为紧密。
自然界中植物与多种细菌密切相关。那么是什么使病原和共生菌都能与真核宿主保持密切联系呢?
为了回答这个问题，科学家们对来自十字花科（Brassicaceae），杨树（poplar）和玉米（maize）根部分离的484个植物根际富集的细菌基因组进行了测序。同时搜集了Alphaproteobacteria, Burkholderiales, Pseudomonas等5586个己发表细菌基因组，选取其中3827个用于本研究联合分析。
植物相关
(PA,plant-associated bacteria)
非植物相关
(NPA,non-plant-associated bacteria)
土壤相关
(soil,soil-associated bacteria)
根相关
(RA, root-associated bacteria)
研究结果
01
PA，Soil和NPA基因组大小的比较表明，植物相关和/或土壤基因组显着大于NPA基因组（下图a）。功能检测发现植物相关基因组中碳水化合物代谢基因增加，移动遗传元件（噬菌体和转座子）在四个与植物相关的分类群减少（下图b）。
a.基于3837个高质量基因组中31个单拷贝基因的最大似然树。最外圈展示分类组，中圈展示其来源，内圈展示植物相关的根相关基因。b.植物与非植物细菌、根与土壤相关细菌功能分类丰度差异。热图展示差异水平采用PhyloGLM检验。粉色为植物或根相关富集，柱状图展示了行列的基因数量。Carbohydrates代表碳水化合物代谢与转运基因类。
02
通过多种方法鉴定和验证植物和根相关基因，发现植物相关基因在PA的宏基因组中比在NPA中更丰富（下图a）；相反，RA、Soil和NPA基因在其预期环境中不一定更丰富。大量验证试验结果表明，与野生型细菌相比，nodT（外膜外排转运蛋白）和CesT（Tir伴侣蛋白）的突变导致定植率降低四倍至六倍。验证了nodABCSUIJZ和nifHDKENXQ植物操纵子的功能（下图c，d）；植物激素赤霉素前体的生物合成基因簇（下图e）；以及其他已知的植物相关操纵子与趋化性，分泌系统如T3SS36和T6SS37以及鞭毛生物合成（图2f-i）有关基因。
a.植物相关(PA)基因的定义是PA宏基因组中比NPA宏基因组中丰度更高。使用38个宏基因组样品比对Scoary预测的各类基因，计算PA与NPA显著差异的基因。b.Paraburkholderia kururiensis M130菌野生型和基因敲除体突变体进行水稻根定殖实验。突变体定殖能力显著下降。c-i. 植物相关基因操纵子结构 ，如结瘤、固氮、赤霉素前体、趋药性蛋白、3型分泌系统、4型分泌系统、鞭毛合成。
03
蛋白质和蛋白质结构域在多个分类群中可重复富集为植物相关或根相关。我们比较了植物相关（PA）和NPA细菌之间以及根相关（RA）和土壤相关细菌之间蛋白质结构域（来自Pfam）的发生。结果表明，大量的LacI控制的调节子的积累是在适应植物环境期间跨细菌谱系的常见策略。
另一个结构域，即代谢结构域醛酮还原酶（pfam00248），富含植物相关和根相关细菌的基因组。该结构域涉及多种底物的代谢转化，包括糖和有毒的羰基化合物。因此，栖息在植物环境中的细菌可能消耗类似的底物。
a. Lacl DNA结合结构域，周质结合蛋白。b. 醛酮还原酶
04
为了推测植物和根相关的蛋白质在进化上的关系，研究人员通过鉴定蛋白结构域构建了进化树。研究中产生64个植物和根相关结构域（PREPARADO），这种蛋白质类别中不同的系统发育分布可能来自收敛进化或来自受植物环境共有选择力影响的系统发育遥远生物之间的跨界水平基因转移。
同时鉴定得到了一个约430 aa的微生物蛋白家族，内切核酸酶/核酸外切酶/磷酸酶Jacacin蛋白存在于PA真核生物（真菌和卵菌）和PA细菌中。这些微生物凝集素可能会分泌到竞争植物免疫受体中，从而在微生物细胞壁上结合甘露糖，有效地起到伪装的作用。
05
Burkholderiales中存在共存的植物相关和土壤相关的鞭毛样基因簇。鞭毛介导的运动或鞭毛衍生的分泌系统对于植物定殖和毒力非常重要的并且可以水平转移。
a.来自Burkholderiales的所有202个重要植物相关（PA）正交组（基因簇）的分层聚类相关矩阵，Hyp，假设的蛋白质；RHS，重复蛋白。在黑色水平线上方和下方示出的基因分别位于正链和负链上。b. Burkholderiales系统发育树基于31个单拷贝基因的连锁比对。
06
研究获得了新型的植物和根相关基因操纵子，这些基因家族分别命名为非病原体和病原体Jekyll和Hyde。Jekyll缺乏跨膜结构域，98.5％出现在非病原性植物相关或土壤相关的Acidovorax分离株中；Hyde1在99％的植物病原性Acidovorax病例中被发现。Hyde1和/或Hyde2可能构成新的T6SS效应家族。
a.基于35个单拷贝基因连接的Acidovorax分离株的最大可能系统发育树。树的致病和非致病分支分别与Hyde1和Jekyll基因的存在完全相关。b.野生拟南芥叶中分离的Acidovorax物种中的可变Jekyll基因座实例。 c.来自感染不同植物的致病性Acidovorax的可变Hyde基因座的实例。
Jekyll和Hyde1基因的高度序列多样性表明，由这些基因编码的两个植物相关蛋白家族可能参与与植物环境中其他生物的分子种族竞争。Acidovorax的T6SS抗菌表型是由Hyde蛋白介导的，并且这些毒素可用于与其他植物相关生物的竞争。
a.大肠杆菌中表达的Hyde蛋白的毒性测定。b.与Acidovorax攻击菌株共培养后回复细胞的定量。
总结
植物相关的微生物群落在宿主生长和健康中起着重要作用，了解基因组水平的植物-微生物关系可以使科学家们利用微生物来提高农业生产力。通过对根相关的细菌基因分析验证了来自两组植物相关基因：参与植物定殖，以及用于植物相关细菌之间的微生物-微生物竞争，并且一些功能甚至与植物相关的真核生物共享。这些特征可以促进微生物的植物定殖，并通过微生物组工程为有效和可持续的农业提供潜在的线索。
Genomic features of bacterial adaptation to plants. Nature Genetics, 2017.
总结
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