【LorMe周刊】保持体内铁稳态才能更好的防御病原菌侵染

作者：万文，南京农业大学硕士在读。主要研究铁载体介导的植物与根际微生物的互作关系。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍不同铁浓度下不同基因型拟南芥的抗病机制，原文于2020年发表在《Journal of Experimental Botany》上。

导读

铁是一种生物利用率较低的矿物质营养素，影响着植物与微生物之间的相互作用。本文通过水培育苗的方式控制铁含量，模拟不同的生境，研究对比多种拟南芥突变株对病原菌的抗病效果。结果发现野生型拟南芥在缺铁时可以抵御多种病原菌。这种抗病能力并非缺铁削减病原菌毒力，而与多种因素相关，如植物激素、植物铁稳态等。这项研究有利于未来详细了解营养缺乏是如何影响植物-微生物的相互作用，以及如何提高植物在自然农业环境下的生存能力。

缺铁增强了拟南芥对不同植物病原菌的抗性

本文通过水培拟南芥的方式进行试验，前期先将拟南芥在铁充足条件下培养，后期转移至不同铁浓度的营养液中，分为富铁处理（铁充足情况视为富铁条件）、限铁处理（图1A）。结果发现，缺铁条件下生长的拟南芥表现出缺铁症状，生物量减少（图1B），叶片出现褪绿现象（图1C），叶绿素含量降低（图1D），此外，缺铁激活了与铁吸收相关的FIT基因的表达（图1E）。

图1缺铁对拟南芥生长及植物体内铁稳态的影响

在明确上述现象后，进一步研究不同铁浓度条件下，拟南芥对不同植物病原菌抵抗能力的差异。和上述方法相同，先在富铁培养基中培养，再移入富铁、限铁条件下生长。一段时间后分别在富铁条件、限铁条件的野生型Col-0拟南芥叶片上接种三种不同类型的病原菌（Botrytis cinerea、Pseudomonas syringae pv. tomatoDC3000和Hyaloperonosporaarabidopsidis）（图2A）。结果发现缺铁处理的野生型拟南芥病害症状显著轻于富铁处理的野生型拟南芥(图2B-D)。说明，缺铁能够增强拟南芥对不同种类病原菌的抵抗能力。

图2缺铁对不同种类植物病原菌抗病能力的影响

缺铁诱导的植物抗性与植物“防御警备”有关

植物受到某些生物或者非生物因子刺激警备后，会提前做好抗虫抗病防御准备，之后当再次受到病虫害袭击时，植物会产生更快更强的防御反应，从而提高自身抗性，这称之为植物的“防御警备”。上述结果显示，缺铁条件下，野生型Col-0可以有效抵御多种病原菌，结合研究已发现的植物激素乙烯（ET）和水杨酸（SA）与植物免疫有关。因此，作者提出缺铁条件下ET和SA在拟南芥对抗病原菌时发挥重要作用。结果发现，缺铁条件下，ein2-1（无法产生乙烯）和sid2-1（无法产生水杨酸）突变株并没有表现出如野生型Col-0一样对B.cinerea的抗性（图3A），表明野生型Col-0拟南芥中观察到的抗性增强是由于缺铁诱导了植物抗性，而非因为缺铁影响病原菌毒力。缺铁条件下sid2-1突变株对病原菌H. arabidopsidis更为敏感，抗性也有所降低（图3B）。

随后，对植物“防御警备”是否在这一现象中起作用进一步研究将水培生长的Col-0植物叶片浸在茉莉酸甲酯（MeJA）、缺铁的培养基中来模拟病原体感染，监测JA响应基因VSP2的表达。在对照组的富铁与限铁处理下，VSP2基因的表达相似，并未被激活。而在茉莉酸甲酯处理下，限铁条件下VSP2基因的表达都高于富铁处理（图3C）。这些结果表明，缺铁引起的抗性与植物“防御警备”有关。

图3 缺铁对ein2-1和sid2-1突变株抗性的影响及其对植物“防御警备”的影响

缺铁诱导的植物抗性不需要MYB72和BGLU42基因的参与

进一步研究发现，细菌WCS417在拟南芥根系定殖后拟南芥根系转录组与缺铁处理下拟南芥根系转录组有明显的重叠：20％WCS417诱导的基因也因为缺铁而激活。因此，作者提出假设这两种类型诱导的植物抗性可能受相同的信号通路调控。结果显示，富铁条件下MYB72和BGLU42突变株与野生型Col-0受到病原菌B. cinerea侵染后，发病程度相似；限铁条件下MYB72、BGLU42突变体和野生型Col-0一样都能显著抑制B. cinerea，而之前研究表明在这两种突变体中WCS417诱导抗性的启动受损。这些结果表明，缺铁诱导的植物抗性独立于MYB72和BGLU42基因。

图4 缺铁诱导的MYB72和BGLU42突变株的抗性

缺铁诱导的植物抗性与植物体内铁稳态有关

铁缺诱导了植物对多种病原菌的抗性，这种植物抗性是否与植物铁的匮乏有关，还是因为其他因素影响了植物体内铁的吸收转运从而导致这一现象？本文为此选择了两个与铁吸收转运相关基因的突变体（opt3-2、frd1-1）进行探究。富铁条件下，相比于野生型Col-0，opt3-2和frd1-1突变体都增强了对B. cinerea的抗性（图5B，C）；限铁条件下，opt3-2和frd1-1突变株发病情况与野生型Col-0相似（图5B，C）。因此说明，缺铁并不会改变opt3-2和frd1-1突变株对B. cinerea的抗性，植物铁稳态与植物抗性息息相关。

图5 缺铁对opt3-2和frd1-1突变株抗性的影响

总结

本文发现缺铁能够诱导野生型拟南芥对多种病原菌的抗性，进一步研究发现缺铁能够诱导植物“防御警备”，而这种缺铁诱导植物抗性与常见的诱导系统抗性相关的基因（MYB72和BGLU42）无关。利用铁吸收转运有关基因的突变株进行研究也发现，缺铁诱导的植物抗性与铁吸收转运基因相关，植物抗性受植物体内铁稳态调控。本文通过多种突变株将看似复杂的问题简单化，为更好的理解缺铁条件下植物与微生物互作提供见解。

论文信息

原名：Mechanisms underlying iron deficiency-induced resistancea gainst pathogens with different lifestyles

译名：缺铁诱导拟南芥对不同植物病原菌的抗性机制研究

期刊：Journal of Experimental Botany

发表日期：2020.11.14

通讯作者：Corné M.J. Pieterse

通讯作者地址：荷兰乌特勒支大学生物学系