核心叶际共生微生物鞘胺醇单胞菌介导的植物抗病分子机理研究

The phyllosphere, which is dominated by leaves, represents one of the largest terrestrial habitats for microorganisms, which influence their hosts with respect to growth and resistance to abiotic and biotic stresses. The mechanism of commensal phyllosphere bacteria-mediated plant disease resistance is currently unknown. We are testing indigenous commensal bacteria and their interaction with the foliar plant pathogen Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 on Arabidopsis thaliana for plant protection. By forward mutants screening, we found one lfs1（loss of friendship 1）mutant which showed loss of SFr1-mediated plant protection phenotype. Combining map-based cloning and whole genome sequencing, two candidate genes have been identified. This proposal aims at target gene functional characterization through molecular biology and biochemistry aspects. It will not only establish new links between plant genotypes and the phyllosphere microbiota but also open new avenues for predicting factors for improved plant protection, and reveal new insights into the mechanisms which host plant undertakes to distinguish commensal bacteria and pathogen.

植物叶际共生微生物组是指植物叶片表面和内部富集的组成特异的微生物群落，在宿主植物抗病过程中起着至关重要的作用。但是目前对叶际共生微生物介导的宿主抗病分子机制尚不清楚。项目申请人以模式植物拟南芥，叶际共生微生物组的核心细菌鞘胺醇单胞菌(Sphingomonas melonis Fr1)和植物病原菌假单胞杆菌(Pseudomonas syringae DC3000)为研究对象，解析植物共生细菌介导宿主抗病的分子机制。前期遗传学筛选中，我们获得1个丧失SFr1介导的植物抗病性的功能缺失突变体，命名为lfs1（loss of friendship 1）。结合图位克隆和突变体全基因组测序，我们已经获得该突变体的候选基因。本项目拟通过对该突变体候选基因的鉴定，分子生物学和生物化学方法，最终阐明叶际共生细菌提高植物抗病性的分子机制，为理解植物免疫系统如何区分共生细菌和病原菌的分子机理提供理论依据。

植物表面和体内富集着组成特异的共生微生物群落,共生微生物群对宿主植物生长、营养吸收、光合作用、抗逆和抗病等性状起着重要的调节作用。不同的微生物集合与植物基因相互作用赋予了植物在不同环境下的表型可塑性，因此植物共生微生物组也被认为是植物的第二基因组。.已有研究表明叶际共生微生物能够赋予宿主植物抵抗病原微生物的侵染的能力，但是该过程的分子机制尚不清楚。项目申请人以模式植物拟南芥，叶际共生微生物组的核心细菌鞘胺醇单胞菌(Sphingomonas melonis Fr1，SFr1)和植物病原菌假单胞杆菌(Pseudomonas syringae DC3000，Pst DC3000)为研究对象，解析植物共生细菌介导宿主抗病的分子机制。通过正向遗传学筛选，我们获得1个拟南芥功能缺失突变体，该突变体丧失了SFr1介导的拟南芥对Pst DC3000的抗性。结合图位克隆和突变体全基因组测序，我们发现该突变体中超长链脂肪酸烷烃合成途径中的一个关键基因CER3发生了缺失突变。进一步的遗传学分析也证实，CER3的功能缺失导致该突变体缺失了SFr1介导的拟南芥对Pst DC3000的抗性。.超长链脂肪酸及其衍生物是植物表皮角质层的主要组分，是植物应对外界环境变化的第一道屏障，在抑制植物水分非气孔散失及保护植物免受病虫害入侵、紫外线辐射等方面起着重要作用。利用反向遗传学的手段，通过分析超长链脂肪酸及其衍生物的合成酶基因的突变体，我们发现cer1, cer10, lacs2 和 bdg 突变体也呈现和cer3突变体一样的表型。我们注意到超长链脂肪酸醇合成途径并不参与到SFr1介导的拟南芥对Pst DC3000的抗性过程中。同时，通过cer3/bak1/bkk1三突变体的表型分析，我们发现该三突变体的表型要强于cer3单突变体和bak1/bkk1双突变体。该结果揭示了超长链脂肪酸所参与的叶际共生微生物所介导的植物抗病反应是独立于BAK1/BKK1介导的植物免疫反应通路。.本研究揭示了植物角质层主要组分超长链脂肪酸及其衍生物在植物与微生物相互作用中的新功能。为理解共生微生物与宿主相互作用的分子机制，对未来的植物叶际共生细菌产业化应用，提高农作物抗病性都具有重要的理论指导和实践意义。