text: 【派森诺项目文章】《Nature Microbiology》叶际微生物组诱导宿主代谢防御水稻稻曲病的机制
  热烈祝贺近期，派森诺生物与浙江大学农学院王蒙岑老师课题组合作的题为《》的文章荣登，该成果破译了宿主植物与穗部微生物联合防御病原菌侵染的分子机制，阐明了作物病害控残减毒防控技术的新靶点，为作物抗病品种的分子设计改良提供了新资源。叶际是指陆生植物的地上部分，主要是叶、茎、花（或穗）和果实（或种子）。植物叶际不仅对植物健康具有重要意义，而且对维持全球粮食供应的农产品产量和质量也具有重要意义。稻曲病是由活体营养型病菌引起的水稻穗部真菌病害，目前在全球范围内的水稻主产区均有不同程度发病。稻曲病的流行不仅导致水稻大幅减产，而且会在穗部积累严重危害人畜健康的生物毒素，严重影响稻米产量、品质和食品安全。化学防治是目前防治稻曲病的主要手段，但过量或不合理施用药剂不仅会带来农药残留超标的风险，同时也会对稻田有益生物产生威胁、诱导病原菌的杀菌剂抗药性，其生态风险一直备受争议。为了研发安全、环保和有效的稻曲病控残减毒防控技术，科研团队在实验室与田间同时开展攻关，以期挖掘到有价值的潜在线索。https://doi.org/10.1038/s41579-023-00908-z微生物组测序：水稻穗部16S rRNA基因V3-V4区和ITS序列测序Illumina高通量测序平台QIIME 2分析转录组测序：原核转录组测序Illumina高通量测序平台表达差异分析1、抑病稻穗中一个独特的微生物群落在稻曲病田间预测过程中，研究人员观察到分属两个田中的患病和抑病植物中的在种群密度方面没有显著差异，这表明这两块田地里种植的水稻受到了同样的病原感染压力。为了研究根际微生物群是否对病原感染有反应，研究人员分析了患病和抑病植物的微生物群落结构，但根际微生物群落在多样性或组成方面无法区分患病植物和抑病植物。而在抑病的植物中发现了一种独特的稻穗微生物群落结构。患病植物中稻穗细菌群落的丰富度显著高于抑病植物，细菌群落的多样性则表现出相反的趋势。对于真菌群落，抑病植物的丰富度和多样性都高于患病植物。PCoA进一步揭示了在稻穗细菌和真菌群落中，患病和抑病植物之间的显著差异。更具体地说，在稻穗微生物组中观察到了不同的微生物群落结构。在患病植物的稻穗中，和被确认为优势真菌属。相比之下，抗病植物稻穗中的优势真菌属是，其次是和。在细菌属中，和在抑病植物中是特异存在的。然而，在患病植物和抑病植物之间的微生物共生网络中，边缘的比例、平均程度和模块化是相似的。而且，无显著差异的微生物共生网络的度分布以及紧密度中心性进一步表明了类似的连接模式。因此，研究人员假设独特的稻穗微生物群可能与宿主建立相互作用的关系，从而对疾病抑制有影响。2、抑病的稻穗表现出独特的支链氨基酸（BCAA）特征为了发现可能与抑病植物稻穗中独特微生物群有关的宿主线索，研究人员重点比较了患病和抑病植物的稻穗局部代谢。在研究内在代谢线索的过程中，研究人员发现总蛋白或可溶性糖没有显著差异。患病植物和抑病植物的稻穗中的总蛋白质含量分别为9.0%和8.8%。但值得注意的是，特定氨基酸在患病和抑病植物的稻穗之间存在差异，包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸在内的支链氨基酸在抑制疾病的植株的稻穗中显著富集。此外，研究人员还通过对患病和抑制疾病的植物稻穗中的霉菌毒素的定性和定量分析，研究了外源代谢。结合患病植物独特的穗部微生物群，改变的 BCAAs 被表征为与疾病严重程度呈负相关的独特代谢线索，在此研究人员进一步重点阐明了BCAAs改变、穗部微生物组和疾病抑制之间的因果关系。3、微生物群介导的疾病抑制依赖于BCAA为了弄清楚稻穗中的常驻微生物群和BCAAs之间的相互作用，研究人员从抑病植物的稻穗中总共获得了2357个微生物分离株，其中31个分离株具有抑病能力。这些抑制疾病的分离株被鉴定并分为11个属。另外，研究人员发现亮氨酸水平在关键类群成功定植后明显升高，但在用非关键微生物类群移植的圆锥花序中没有得到促进。随着亮氨酸的升高，值得注意的是，BCAA氨基转移酶基因（OsBCAT）在稻穗中的表达受到抑制。使用CRISPR/Cas9，研究人员在水稻中获得了OsBCAT的突变株。与野生型（WT）相比，OsBCAT突变体的穗中亮氨酸明显增加，表明OsBCAT对水稻穗中的BCAA水平产生负调控。此外，与野生型相比，Osbcat对的抗性显著增加。类似地，外源亮氨酸的补充也导致野生型对的抗性增加。这些结果表明，BCAAs在防御由OsBCAT负调控介导的感染中发挥着重要作用。4、BCAAs通过诱导细胞功能障碍抑制感染为了阐明BCAAs升高抑制感染的详细作用模式，研究人员研究了BCAAs抑制水稻穗中由引起的RFS发作的剂量依赖性作用。结果显示， false smut balls的形成被亮氨酸以剂量依赖的方式抑制。更深入地说，在更大规模的田间试验中，外源性应用亮氨酸也显示出对抗感染的良好效果。在随后的共聚焦显微镜下检测形态改变的U.virens菌丝的细胞活性，在亮氨酸暴露的越橘细胞核中观察到浓缩染色质，这意味着亮氨酸暴露诱导的越橘中发生了细胞凋亡样细胞死亡。流式细胞仪检测进一步证实了亮氨酸暴露的中的细胞凋亡样细胞死亡。精确定量进一步显示，在暴露于亮氨酸的U.virens中，凋亡样细胞死亡率为72.4%，而在未经亮氨酸处理的U.vires中，其降低了约5倍。总之，BCAAs的升高导致了细胞功能障碍，从而抑制了稻穗中的RFS。5、BCAA对的细胞转录组进行重新编程为了分配BCAA引起的细胞功能障碍的基础途径，通过RNA-seq分析确定暴露于亮氨酸后转录组的整体变化。结果显示，BCAAs诱导了的转录组重编程，511个U.virens基因在转录水平上差异表达，其中345个基因显著上调，而166个基因被显著下调。通过GO富集分析，研究人员发现显著上调和下调的基因在13个GO途径中富集。在相应的网络中，上调的GO途径包括丙酮酸代谢、细胞间隔和抗氧化相关基因，而在下调的GO途径中，参与跨膜转运活性、转运蛋白活性和有机酸跨膜转运活动的基因明显富集。详细分析表明，被抑制的转录物主要参与真菌毒素生物合成、效应物、病原体-宿主相互作用和假设的致病性相关基因等过程，这进一步为BCAA破坏的感染提供了转录证据。关注与细胞凋亡样细胞死亡相关的差异表达基因，丙酮酸代谢基因（）和抗氧化相关基因（）被显示为显著上调，而氨基酸跨膜转运蛋白基因（）在细胞外亮氨酸升高的反应中明显下调。此外，在亮氨酸的细胞外处理中，观察到中l-氨基酸氧化酶（LAAO）基因的表达显著增加，以及反应性氧化物的过度生产，其特征是细胞内HO水平的增加。另外，研究人员还发现HO的外源性处理可以诱导越橘中的细胞凋亡样细胞死亡，而抑制细胞内HO的过量产生可以显著降低细胞凋亡样死亡率。这些结果阐明了过量产生的HO在细胞凋亡样细胞死亡中的重要作用。正如研究人员所观察到的，HO的这些标记基因导致了中的细胞凋亡样细胞死亡，钙调神经磷酸酶Crz1p通路是否以及如何参与还需要进一步研究。另一方面，研究人员成功地进行了的靶向敲除，以研究LAAO在中的作用。总的来说，负调控了的致病性，而介导的HO过量产生是BCAA抑制稻穗中感染的主要原因。以上研究的测序工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。如需进一步讨论，欢迎讨论区留言或者发邮件给研究人员哟（邮箱地址：metasupport@personalbio.cn）！文章索引Liu X, Matsumoto H, Lv T, Zhan C, Fang H, Pan Q, Xu H, Fan X, Chu T, Chen S, Qiao K, Ma Y, Sun L, Wang Q, Wang M. Phyllosphere microbiome induces host metabolic defence against rice false-smut disease. Nat Microbiol. 2023 May 4. doi: 10.1038/s41564-023-01379-x.点击阅读原文，了解更多~上海派森诺生物科技股份有限公司 成立于2011年4月，是一家致力于为健康医学、生命科学等领域提供分子生物学技术服务及大数据挖掘与分析服务的高新技术企业。公司总部位于上海，设有多家全资子公司，并建立了完善的基因测序平台和大数据计算平台，具有完全自主研发的创新技术和成果，派森诺生物及所属子公司已取得授权及受理专利、软件著作权250余项；合作项目论文多次发表在等生物科学、医学权威期刊。公司业务覆盖全国，远涉澳洲、欧洲和美洲，并在国内28个省市设立了办事处，与全球800多所高校、300多家医院及200多家科研机构建立了紧密合作关系。派森诺生物作为微生物基因检测、基因大数据分析及体外诊断试剂开发的服务商，始终秉承“解析基因序列，诠释生命密码，改善人类生活”的企业使命，致力于为广大生命科学、医学工作者提供包括高通量基因测序、临床医学基因检测、生物信息学服务、生物云计算、分子生物学实验、DNA合成等科研及临床应用解决方案。