植物代謝組學(xué)的應(yīng)用-線蟲(chóng)信息素的植物代謝介導(dǎo)植物與線蟲(chóng)的相互作用

近期，有很多趣粉在后臺(tái)留言，問(wèn)小趣什么時(shí)候推送關(guān)于植物代謝組學(xué)研究方面的文獻(xiàn)。今天，小趣就滿足趣粉們的需求，分享一篇發(fā)表在Nature Communications（ IF=11.878）的文章，題目為：Plant metabolism of nematode pheromones mediates plant-nematode interactions。
 

1研究背景
植物和動(dòng)物對(duì)病原體攻擊的免疫反應(yīng)部分是通過(guò)特定的細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)感受器檢測(cè)病原體相關(guān)分子模式(PAMPs) (圖1a)來(lái)觸發(fā)的，例如細(xì)菌的鞭毛蛋白和肽聚糖或真菌的甲殼素等不同種類病原體的大分子。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，識(shí)別這些外來(lái)(非我)大分子導(dǎo)致的天然免疫激活通常被稱為模式觸發(fā)免疫(Pattern-rigered Immune，PTI)。

線蟲(chóng)是地球上最豐富的動(dòng)物之一，植物寄生線蟲(chóng)在土壤中無(wú)處不在，蛔苷作為線蟲(chóng)的一個(gè)古老的分子特征，能夠?qū)е碌湫头烙�信�?hào)通路的快速激活，類似于微生物大分子PAMPs (圖1a)的作用。雖然微生物和線蟲(chóng)來(lái)源的PAMPs的分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，但尚不清楚受感染植物或動(dòng)物的新陳代謝對(duì)PAMPs的編輯在多大程度上對(duì)觀察到的免疫反應(yīng)起作用(圖1a)。因此，作者對(duì)植物是否代謝線蟲(chóng)來(lái)源的蛔苷展開(kāi)了研究。

2研究方法
本文通過(guò)對(duì)不同植物（擬南芥、番茄）在不同處理?xiàng)l件下（DC3000侵染、根結(jié)線蟲(chóng)侵染、外源物質(zhì)添加）其組織及根系分泌物進(jìn)行代謝組學(xué)分析，證明植物寄生線蟲(chóng)分泌的信息素，蛔苷ascr#18能被植物新陳代謝，并闡明其作用機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)分組：植物對(duì)照組、侵染組、突變組、蛔苷治療組。
檢測(cè)平臺(tái)：LC-QE-MS

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1.植物將ascr#18代謝成蛔苷的混合物
為了測(cè)試植物是否代謝線蟲(chóng)來(lái)源的PAMP ascr#18，作者采用了基于高分辨液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)分析的比較代謝組學(xué)方法，對(duì)ascr#18處理的植物組織進(jìn)行了分析，顯示在ascr#18處理的植物中存在ascr#18，但在模擬處理的植物中沒(méi)有(圖1c和d)。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，此外，在所有三個(gè)物種中，作者發(fā)現(xiàn)了一系列僅在ascr#18處理的植物中存在代表側(cè)鏈較短蛔苷的額外峰，特別是ascr#10、ascr#1和ascr#9 (圖1c和d)。在所有情況下，蛔苷ascr#9是最豐富的代謝物，其中ascr#18的11碳側(cè)鏈已縮短到只有5個(gè)碳(圖1d)。為了證實(shí)短鏈的蛔苷實(shí)際上來(lái)源于添加的ascr#18，作者在番茄中使用13C2標(biāo)記的ascr#18(圖2a)重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

為了測(cè)試觀察到的代謝轉(zhuǎn)化是否需要與土壤相關(guān)的微生物，作者用ascr#18直接滲透到4周大的土壤中的擬南芥植株的葉片中，然后采集葉片組織進(jìn)行如上所述的LC-MS分析。與根處理類似，ascr#18在葉片中積累并轉(zhuǎn)化為較短的側(cè)鏈蛔苷(圖2b和c)，在擬南芥中，測(cè)得的ascr#9濃度在滲透后的第一個(gè)12h達(dá)到峰值，隨后在96h下降到非常低的水平，表明ascr#9被進(jìn)一步代謝或運(yùn)輸?shù)街参锏钠渌�組織(圖2c)。綜上所述，這些實(shí)驗(yàn)證明了單子葉和雙子葉植物對(duì)ascr#18的吸收和轉(zhuǎn)化為側(cè)鏈較短的蛔苷，主要是ascr#9。
 

圖1  線蟲(chóng)衍生的ascr#18在植物中的積累和代謝
 

圖2  短鏈蛔苷來(lái)源于外源應(yīng)用的ascr#18的新陳代謝

2.植物通過(guò)過(guò)氧化物酶體β氧化代謝ascr#18

圖3A顯示了比較擬南芥和線蟲(chóng)過(guò)氧化物酶體β氧化途徑的一般方案。為了測(cè)試ascr#18在植物中是否通過(guò)過(guò)氧化物酶體β氧化代謝，作者分析了這一途徑關(guān)鍵酶受損的擬南芥突變體(圖3b)。對(duì)經(jīng)ascr#18處理的野生型和acx1acx5植株進(jìn)行詳細(xì)的代謝組學(xué)比較表明，突變體積累了高水平的ascr#18(11碳側(cè)鏈)，以及少量的ascr#10(9碳側(cè)鏈)，而沒(méi)有檢測(cè)到ascr#1和ascr#9(分別為7-碳鏈和5-碳鏈)(圖3c)。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，綜上所述，這些觀察表明，在植物中，ascr#18代謝成短鏈蛔苷是通過(guò)內(nèi)源過(guò)氧化物酶體β氧化進(jìn)行的，ACX1和ACX5對(duì)于ascr#10的鏈縮短是功能冗余的，而從ascr#18到ascr#10的第一個(gè)鏈縮短步驟可能涉及額外的�；�輔酶A氧化酶。
 

圖3  擬南芥通過(guò)保守的過(guò)氧化物酶體β氧化代謝ascr#18

3.ascr#18代謝是線蟲(chóng)抗性所必需的
為了測(cè)試ascr#18是否在ascr#18介導(dǎo)的增強(qiáng)對(duì)細(xì)菌病原體的抗性中起作用，作者比較了ascr#18處理對(duì)野生型擬南芥和acx1 acx5突變體(ascr#18到ascr#9代謝缺陷)感染丁香假單胞菌DC3000的影響。在感染紫丁香假單胞菌之前，1µM ascr#18預(yù)處理24小時(shí)在acx1 acx5和野生型中提供了同等水平的保護(hù)(圖4a，b)，表明ascr#18通過(guò)ACX1或ACX5代謝不是增強(qiáng)對(duì)該細(xì)菌病原菌抗性所必需的。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，轉(zhuǎn)化為短鏈蛔苷，作者懷疑ascr#18的代謝是否是激活防御反應(yīng)和抵抗病原菌所必需的。

為了評(píng)估ascr#18的植物代謝是否有助于防御線蟲(chóng)，作者比較了ascr#18處理對(duì)野生型和acx1 acx5突變體與根結(jié)線蟲(chóng)(南方根結(jié)線蟲(chóng))侵染的影響。作者發(fā)現(xiàn)，雖然在接種前用10 nm或50 nm的ascr#18預(yù)處理根系48小時(shí)對(duì)野生型有顯著的保護(hù)作用，但ascr#18處理對(duì)acx1 acx5突變體沒(méi)有影響(圖4a，c)。

在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，在將野生型和acx1 acx5幼苗移到含有南方根結(jié)線蟲(chóng)第二期幼蟲(chóng)(J2)的PF-127凝膠中之前用ascr#18處理48h(圖4a，d，e)。在苗木移栽后6h計(jì)數(shù)J2幼蟲(chóng)觸根情況。在50 nm處用ascr#18預(yù)處理，野生型的J2幼蟲(chóng)觸及根尖或整個(gè)根區(qū)的數(shù)量顯著減少，而acx1 acx5的J2幼蟲(chóng)接觸根尖或整個(gè)根區(qū)的數(shù)量沒(méi)有明顯減少。第二，更高的ascr#18濃度(1µM)對(duì)野生型或突變體的南方根結(jié)線蟲(chóng)行為沒(méi)有顯著影響。綜上所述，這些結(jié)果表明ascr#18代謝是提高ascr#18處理植株對(duì)線蟲(chóng)侵染抗性所必需的，而增強(qiáng)對(duì)細(xì)菌的抗性不受影響。
 

圖4  acx1 acx5是ascr#18介導(dǎo)的增強(qiáng)對(duì)根結(jié)線蟲(chóng)抗性所必需的，而不是細(xì)菌病原菌。

4.防御信號(hào)不依賴于ascr#18的新陳代謝

為了評(píng)估ascr#18是否需要通過(guò)過(guò)氧化物酶體β氧化來(lái)激活這些防御信號(hào)通路，作者比較了ascr#18處理的野生型和acx1 acx5植物葉片中選定的標(biāo)記基因的表達(dá)(圖4f)。發(fā)現(xiàn)通過(guò)ascr＃18激活典型防御信號(hào)通路通常不需要通過(guò)過(guò)氧化物酶體β氧化的ascr＃18代謝。與先前的研究一致，在野生型中，低ascr#18濃度不能誘導(dǎo)防御基因的表達(dá)，而在acx1 acx5雙突變體中保持不變。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，由于在較低的ascr#18濃度下觀察到對(duì)線蟲(chóng)的抗性增強(qiáng)，不足以誘導(dǎo)野生型或acx1 acx5雙突變體中防御基因的表達(dá)，因此，ascr#18代謝對(duì)線蟲(chóng)抗性的影響可能不是通過(guò)植物防御信號(hào)通路直接介導(dǎo)的。

5.植物根系分泌ascr#18代謝物

植物通過(guò)其根分泌大量的初級(jí)和次級(jí)代謝物，包括促進(jìn)與土壤生物相互作用的信號(hào)分子。由于ascr#18代謝不是抵抗細(xì)菌或激活典型的植物防御信號(hào)通路所必需的，但對(duì)于防御線蟲(chóng)是必不可少的，因此作者考慮了ascr#18代謝產(chǎn)物通過(guò)根分泌從而影響線蟲(chóng)尋找宿主行為的可能性。為了測(cè)試這種可能性，作者比較了ascr#18和模擬處理的擬南芥根系分泌的代謝物(圖5a)。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，基于HPLC-MS的比較代謝學(xué)分析顯示，在ascr#18處理的野生型中，所有已鑒定的ascr#18代謝物，包括ascr#10、ascr#1和ascr#9都能分泌。

6.植物來(lái)源的蛔苷混合物可以阻止寄生線蟲(chóng)

之前研究已經(jīng)證明，不同的蛔苷混合物可以誘導(dǎo)吸引或回避行為。例如，最豐富的ascr#18代謝物，ascr#9，先前已被證明在昆蟲(chóng)病原線蟲(chóng)中介導(dǎo)擴(kuò)散行為，這些線蟲(chóng)與根結(jié)線蟲(chóng)有親緣關(guān)系。因此，作者推測(cè)ascr#9的分泌可能在介導(dǎo)植物-線蟲(chóng)相互作用中發(fā)揮作用。然而，與ascr#18處理野生型相比，在將幼苗移到含有南方根結(jié)線蟲(chóng)J2幼蟲(chóng)的PF-127凝膠上之前，ascr#9既不處理野生型也不處理acx1 acx5 48h，顯著降低了侵染率(圖5b)。

百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，因?yàn)橄惹暗膸醉?xiàng)研究表明，蛔苷介導(dǎo)的表型可能涉及兩個(gè)或更多組分，接下來(lái)作者考慮了一種可能性，一種混合的蛔苷，而不僅僅是一種化合物，可能導(dǎo)致線蟲(chóng)向根的遷移受到抑制，因此，作者在前面描述的定量趨化性種群分析(圖5c)中測(cè)試了由線蟲(chóng)直接排泄的ascr#18及其最豐富的植物代謝物ascr#9的一系列組合。作者發(fā)現(xiàn)，含有1：10比例的ascr#18和ascr#9的混合物引發(fā)了顯著的回避行為，而低濃度的任何一種化合物都略具吸引力或沒(méi)有任何影響(圖5d)。這些結(jié)果表明，植物分泌的ascr#9與ascr#18相結(jié)合可以驅(qū)除根際中的線蟲(chóng)，從而減少感染。
 

圖5  植物來(lái)源的蛔苷混合物可以阻止根結(jié)線蟲(chóng)

4結(jié)論
根際微生物和線蟲(chóng)對(duì)植物健康有著深遠(yuǎn)的影響，小分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)被認(rèn)為在植物根際相互作用中起著核心作用。然而，人們對(duì)這些信號(hào)的性質(zhì)和潛在的機(jī)制知之甚少。百趣代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，在這里，作者證明了蛔苷ascr#18，一種由植物寄生線蟲(chóng)分泌的信息素，被植物新陳代謝，產(chǎn)生排斥線蟲(chóng)和減少感染的化學(xué)信號(hào)，另外，植物編輯線蟲(chóng)信息素是一種與常規(guī)模式觸發(fā)免疫平行的防御機(jī)制，表明植物可能主動(dòng)操縱土壤有機(jī)體的化學(xué)信號(hào)。