植物共生型VII型分泌系统导致根部铁元素泄漏以促进定殖

2023-05-29

植物共生型VII型分泌系统导致根部铁元素泄漏以促进定殖-Liu et al. (2023)

摘要

铁元素的竞争是微生物在根际建立生态位的一个重要因素。病原菌和有益共生菌利用各种分泌系统与宿主互动，并从环境中获取有限的资源。芽孢杆菌属（Bacillus spp.）是重要的植物共生菌，它们编码了一种VII型分泌系统（T7SS）。然而，这种分泌系统在根际细菌与植物互作中的功能尚不明确。在此，我们利用有益根际细菌贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）SQR9，证明T7SS及其主要分泌蛋白YukE对根际定殖至关重要。植物体内实验和基于脂质体的实验表明，分泌的YukE插入植物质膜，并在接种早期引发根部铁的渗漏。铁可用性的增加促进了SQR9在根部的定殖。总的来说，我们的工作揭示了T7SS在有益根际细菌中促进定殖及植物-微生物互作的一个先前未被描述的作用。

研究背景

植物根际铁竞争是微生物定殖的关键因素。尽管病原菌和共生菌利用分泌系统与宿主互作并获取资源，但有益根际菌（如Bacillus spp.）的VII型分泌系统（T7SS）功能尚不明确。Bacillus velezensis SQR9作为一种植物促生根际细菌（PGPR），其T7SS在定殖中的作用机制亟待探索。

科学问题

  • T7SS及其分泌蛋白YukE是否对B. velezensis SQR9的根际定殖至关重要？
  • YukE如何调控植物根系铁的分布以促进细菌定殖？
  • T7SS与铁代谢的其他途径（如铁载体系统）如何分工？

实验设计

  1. 遗传操控：构建T7SS基因簇（ΔT7）和YukE突变体（ΔyukE），并通过互补株恢复功能。
  2. 定殖能力评估：在水培和土壤体系（灭菌/自然土壤）中检测突变体对拟南芥和黄瓜根系的定殖差异。
  3. 植物响应分析：
    • RNA测序：评估YukE处理对植物铁相关基因（如FIT、IRT1）的调控。
    • Perls染色与ICP-MS：检测根系铁含量变化。
  4. 分子机制：
    • 荧光标记：GFP/YukE融合蛋白定位根系细胞膜。
    • 脂质体实验：验证YukE诱导膜通透性改变及铁泄漏。
  5. 功能分工验证：比较T7SS与铁载体系统在不同铁条件下的表达模式。

主要结果

  1. 定殖依赖T7SS：ΔT7和ΔyukE突变体在根际定殖能力显著下降（下降50-70%），补体株恢复表型。
  2. 铁泄漏机制：
    • YukE插入植物细胞膜（膜定位实验证实），诱导根系铁外流（12-24 h内铁含量减少30-50%）。
    • 过量的铁（180 μM）可挽救突变体的定殖缺陷，铁螯合剂加剧表型。
  3. 时间动态：铁泄漏仅在早期定殖阶段（48 h内）显著，48 h后恢复正常。
  4. 功能分工：T7SS在高铁条件下表达上调，而铁载体系统在低铁环境激活。

结论

  • T7SS分泌的YukE通过插入植物细胞膜诱导铁泄漏，增加根际铁可利用性，从而促进有益菌定殖。
  • T7SS与铁载体系统形成“分工作业”：早期铁泄漏（T7SS）和后续铁竞争（铁载体）协同维持微生物生态位。

关键词

  • Type VII secretion system
  • Iron competition
  • Plant-microbe interaction
  • Bacillus velezensis
  • Root colonization
  • Rhizosphere

研究的缺陷与建议

缺陷与不足

  1. 生理机制未完全解析：
    • YukE膜插入的具体结构基础（如寡聚化形式）未被阐明。
    • 未检测其他离子（如K+、Ca²⁺）是否同步泄漏，可能低估对植物的影响。
  2. 生态相关性验证不足：
    • 实验中单一菌株与植物的互作未考虑复杂土壤微生物组的竞争效应。
    • 未明确泄漏的铁是否直接促进其他微生物的定殖，影响结论普适性。
  3. 动态调节机制缺失：
    • 未解释铁泄漏在48 h后停止的分子机制（如植物膜修复信号）。
    • T7SS自身调控网络（如受何种信号诱导分泌）尚未解析。

改进建议

  1. 分子机制深化：
    • 冷冻电镜解析YukE-膜复合物结构，明确关键结构域。
    • 脂质组学分析：检测植物膜脂质重塑是否参与泄漏终止。
  2. 生态验证实验：
    • 在自然土壤中添加T7SS缺陷株与野生株，定量其对铁资源占有的优势。
    • 引入其他根际细菌，评估T7SS在多物种竞争中的生态效益。
  3. 动态调控研究：
    • 分析植物响应YukE的早期信号（如ROS、激素），探究植物主动修复机制。
    • 筛选T7SS的调控因子（如铁响应转录因子），阐明其表达时序性。
  4. 多组学整合：
    • 时空转录组：比较根系不同区段（根尖/成熟区）对T7SS的响应差异。
    • 代谢组学：揭示铁泄漏是否影响植物次级代谢物合成，间接调控微生物组。

总结：该研究首次揭示有益菌T7SS通过物理损伤宿主促进定殖的新范式，但需结合结构生物学和生态实验深化机制理解，并拓展其在农业应用中的潜在价值。

原文链接：

Plant commensal type VII secretion system causes iron leakage from roots to promote colonization

【全部内容来自：DeepSeek-R1 硅基流动 CherryStudio】