植物代谢组学-线虫信息素的植物代谢介导植物与线虫的相互作用

近期，有很多趣粉在后台留言，问小趣什么时候推送关于植物代谢组学研究方面的文献。今天，小趣就满足趣粉们的需求，分享一篇发表在Nature Communications（ IF=11.878）的文章，题目为：Plant metabolism of nematode pheromones mediates plant-nematode interactions。

1研究背景

植物和动物对病原体攻击的免疫反应部分是通过特定的细胞外和细胞内感受器检测病原体相关分子模式(PAMPs) (图1a)来触发的，例如细菌的鞭毛蛋白和肽聚糖或真菌的甲壳素等不同种类病原体的大分子。百趣代谢组学文献分享，识别这些外来(非我)大分子导致的天然免疫激活通常被称为模式触发免疫(Pattern-rigered Immune，PTI)。

线虫是地球上最丰富的动物之一，植物寄生线虫在土壤中无处不在，蛔苷作为线虫的一个古老的分子特征，能够导致典型防御信号通路的快速激活，类似于微生物大分子PAMPs (图1a)的作用。虽然微生物和线虫来源的PAMPs的分子结构已经确定，但尚不清楚受感染植物或动物的新陈代谢对PAMPs的编辑在多大程度上对观察到的免疫反应起作用(图1a)。因此，作者对植物是否代谢线虫来源的蛔苷展开了研究。

2研究方法

本文通过对不同植物（拟南芥、番茄）在不同处理条件下（DC3000侵染、根结线虫侵染、外源物质添加）其组织及根系分泌物进行代谢组学分析，证明植物寄生线虫分泌的信息素，蛔苷ascr#18能被植物新陈代谢，并阐明其作用机制。

实验分组：植物对照组、侵染组、突变组、蛔苷治疗组。

检测平台：LC-QE-MS

3实验结果

1.植物将ascr#18代谢成蛔苷的混合物

为了测试植物是否代谢线虫来源的PAMP ascr#18，作者采用了基于高分辨液相色谱-质谱(LC-MS)分析的比较代谢组学方法，对ascr#18处理的植物组织进行了分析，显示在ascr#18处理的植物中存在ascr#18，但在模拟处理的植物中没有(图1c和d)。百趣代谢组学文献分享，此外，在所有三个物种中，作者发现了一系列仅在ascr#18处理的植物中存在代表侧链较短蛔苷的额外峰，特别是ascr#10、ascr#1和ascr#9 (图1c和d)。在所有情况下，蛔苷ascr#9是最丰富的代谢物，其中ascr#18的11碳侧链已缩短到只有5个碳(图1d)。为了证实短链的蛔苷实际上来源于添加的ascr#18，作者在番茄中使用13C2标记的ascr#18(图2a)重复了这个实验。

为了测试观察到的代谢转化是否需要与土壤相关的微生物，作者用ascr#18直接渗透到4周大的土壤中的拟南芥植株的叶片中，然后采集叶片组织进行如上所述的LC-MS分析。与根处理类似，ascr#18在叶片中积累并转化为较短的侧链蛔苷(图2b和c)，在拟南芥中，测得的ascr#9浓度在渗透后的第一个12h达到峰值，随后在96h下降到非常低的水平，表明ascr#9被进一步代谢或运输到植物的其他组织(图2c)。综上所述，这些实验证明了单子叶和双子叶植物对ascr#18的吸收和转化为侧链较短的蛔苷，主要是ascr#9。

图1 线虫衍生的ascr#18在植物中的积累和代谢

图2 短链蛔苷来源于外源应用的ascr#18的新陈代谢

2.植物通过过氧化物酶体β氧化代谢ascr#18

图3A显示了比较拟南芥和线虫过氧化物酶体β氧化途径的一般方案。为了测试ascr#18在植物中是否通过过氧化物酶体β氧化代谢，作者分析了这一途径关键酶受损的拟南芥突变体(图3b)。对经ascr#18处理的野生型和acx1acx5植株进行详细的代谢组学比较表明，突变体积累了高水平的ascr#18(11碳侧链)，以及少量的ascr#10(9碳侧链)，而没有检测到ascr#1和ascr#9(分别为7-碳链和5-碳链)(图3c)。百趣代谢组学文献分享，综上所述，这些观察表明，在植物中，ascr#18代谢成短链蛔苷是通过内源过氧化物酶体β氧化进行的，ACX1和ACX5对于ascr#10的链缩短是功能冗余的，而从ascr#18到ascr#10的第一个链缩短步骤可能涉及额外的酰基辅酶A氧化酶。

图3 拟南芥通过保守的过氧化物酶体β氧化代谢ascr#18

3.ascr#18代谢是线虫抗性所必需的

为了测试ascr#18是否在ascr#18介导的增强对细菌病原体的抗性中起作用，作者比较了ascr#18处理对野生型拟南芥和acx1 acx5突变体(ascr#18到ascr#9代谢缺陷)感染丁香假单胞菌DC3000的影响。在感染紫丁香假单胞菌之前，1µM ascr#18预处理24小时在acx1 acx5和野生型中提供了同等水平的保护(图4a，b)，表明ascr#18通过ACX1或ACX5代谢不是增强对该细菌病原菌抗性所必需的。百趣代谢组学文献分享，转化为短链蛔苷，作者怀疑ascr#18的代谢是否是激活防御反应和抵抗病原菌所必需的。

为了评估ascr#18的植物代谢是否有助于防御线虫，作者比较了ascr#18处理对野生型和acx1 acx5突变体与根结线虫(南方根结线虫)侵染的影响。作者发现，虽然在接种前用10 nm或50 nm的ascr#18预处理根系48小时对野生型有显著的保护作用，但ascr#18处理对acx1 acx5突变体没有影响(图4a，c)。

在第二个实验中，在将野生型和acx1 acx5幼苗移到含有南方根结线虫第二期幼虫(J2)的PF-127凝胶中之前用ascr#18处理48h(图4a，d，e)。在苗木移栽后6h计数J2幼虫触根情况。在50 nm处用ascr#18预处理，野生型的J2幼虫触及根尖或整个根区的数量显著减少，而acx1 acx5的J2幼虫接触根尖或整个根区的数量没有明显减少。第二，更高的ascr#18浓度(1µM)对野生型或突变体的南方根结线虫行为没有显著影响。综上所述，这些结果表明ascr#18代谢是提高ascr#18处理植株对线虫侵染抗性所必需的，而增强对细菌的抗性不受影响。

图4 acx1 acx5是ascr#18介导的增强对根结线虫抗性所必需的，而不是细菌病原菌。

4.防御信号不依赖于ascr#18的新陈代谢

为了评估ascr#18是否需要通过过氧化物酶体β氧化来激活这些防御信号通路，作者比较了ascr#18处理的野生型和acx1 acx5植物叶片中选定的标记基因的表达(图4f)。发现通过ascr＃18激活典型防御信号通路通常不需要通过过氧化物酶体β氧化的ascr＃18代谢。与先前的研究一致，在野生型中，低ascr#18浓度不能诱导防御基因的表达，而在acx1 acx5双突变体中保持不变。百趣代谢组学文献分享，由于在较低的ascr#18浓度下观察到对线虫的抗性增强，不足以诱导野生型或acx1 acx5双突变体中防御基因的表达，因此，ascr#18代谢对线虫抗性的影响可能不是通过植物防御信号通路直接介导的。

5.植物根系分泌ascr#18代谢物

植物通过其根分泌大量的初级和次级代谢物，包括促进与土壤生物相互作用的信号分子。由于ascr#18代谢不是抵抗细菌或激活典型的植物防御信号通路所必需的，但对于防御线虫是必不可少的，因此作者考虑了ascr#18代谢产物通过根分泌从而影响线虫寻找宿主行为的可能性。为了测试这种可能性，作者比较了ascr#18和模拟处理的拟南芥根系分泌的代谢物(图5a)。百趣代谢组学文献分享，基于HPLC-MS的比较代谢学分析显示，在ascr#18处理的野生型中，所有已鉴定的ascr#18代谢物，包括ascr#10、ascr#1和ascr#9都能分泌。

6.植物来源的蛔苷混合物可以阻止寄生线虫

之前研究已经证明，不同的蛔苷混合物可以诱导吸引或回避行为。例如，最丰富的ascr#18代谢物，ascr#9，先前已被证明在昆虫病原线虫中介导扩散行为，这些线虫与根结线虫有亲缘关系。因此，作者推测ascr#9的分泌可能在介导植物-线虫相互作用中发挥作用。然而，与ascr#18处理野生型相比，在将幼苗移到含有南方根结线虫J2幼虫的PF-127凝胶上之前，ascr#9既不处理野生型也不处理acx1 acx5 48h，显著降低了侵染率(图5b)。

百趣代谢组学文献分享，因为先前的几项研究表明，蛔苷介导的表型可能涉及两个或更多组分，接下来作者考虑了一种可能性，一种混合的蛔苷，而不仅仅是一种化合物，可能导致线虫向根的迁移受到抑制，因此，作者在前面描述的定量趋化性种群分析(图5c)中测试了由线虫直接排泄的ascr#18及其最丰富的植物代谢物ascr#9的一系列组合。作者发现，含有1：10比例的ascr#18和ascr#9的混合物引发了显著的回避行为，而低浓度的任何一种化合物都略具吸引力或没有任何影响(图5d)。这些结果表明，植物分泌的ascr#9与ascr#18相结合可以驱除根际中的线虫，从而减少感染。

图5 植物来源的蛔苷混合物可以阻止根结线虫

4结论

根际微生物和线虫对植物健康有着深远的影响，小分子信号转导被认为在植物根际相互作用中起着核心作用。然而，人们对这些信号的性质和潜在的机制知之甚少。百趣代谢组学文献分享，在这里，作者证明了蛔苷ascr#18，一种由植物寄生线虫分泌的信息素，被植物新陈代谢，产生排斥线虫和减少感染的化学信号，另外，植物编辑线虫信息素是一种与常规模式触发免疫平行的防御机制，表明植物可能主动操纵土壤有机体的化学信号。

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