編譯：李菲，編輯：Emma、江舜堯。
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葉枯病菌Zymoseptoria tritici是小麥生產(chǎn)的嚴重威脅。目前對這種真菌與小麥相互作用的機制知之甚少。這篇論文通過共同感染測定、比較代謝組學和微生物組分析，揭示了易感和抗病小麥與Z. tritici的互作機理。結(jié)果證明，Z. tritici能夠減少易感小麥品種葉片中免疫相關(guān)代謝物質(zhì)的含量。而且，這種免疫抑制的能力并不局限在被侵染的葉片內(nèi)，還擴散到同一植株的其它葉片上。作者稱這種現(xiàn)象為“系統(tǒng)誘導敏感性”。通過比較代謝組學的方法，作者確定了與Z. tritici抗性相關(guān)的代謝物質(zhì)合成途徑，發(fā)現(xiàn)其分別在易感和抗性小麥品種中被抑制和誘導。葉片微生物組分析表明，真菌誘導的代謝變化與小麥葉片微生物組的變化相關(guān)。
論文ID
實驗設計
實驗結(jié)果
1. 兩個小麥品種對Z. tritici的抗性不同
2. 易感小麥中，Z.tritici侵染促進細菌感染
圖2 Z.tritici感染小麥會改變感染位置和植株其它葉片對細菌病原體的抗性
Obelisk小麥（橙色/棕色），中國春（淺綠/綠色），Z. tritici 侵染（Zt），Z. tritici 侵染4天后，在侵染位置（Local, a）或侵染位置附近（Adjacent, b, c）或其它葉片（Systemic, d）共感染丁香假單胞菌Por或Pst菌株，4天后對細菌生長進行定量測量。
3. Z. tritici侵染改變小麥代謝組
Obelisk和中國春之間的哪些生理差異導致了對Z. tritici的不同反應？作者使用FT-ICR-MS，對Z. tritici侵染4和8天后的葉片侵染位置和臨近區(qū)域進行廣泛靶向代謝組分析。
作者從三個角度分析代謝組變化。（1）品種比較，Obelisk與中國春的數(shù)據(jù)進行比較（相同處理，相同葉片位置）。（2）位置比較，侵染位置與相鄰未侵染位置的數(shù)據(jù)進行比較（相同處理，相同品種）。（3）處理比較，Z. tritici侵染的樣品與對照處理的樣品進行比較（相同品種，相同葉片位置）。
作者確定了116個帶注釋的代謝物，在至少1個角度的比較中有顯著差異，將這些代謝物稱為差異累積代謝物（Differentially Accumulating Metabolites, DAM）。
圖3 Z. tritici 侵染改變了苯并惡唑嗪酮類（benzoxazinoids, BXs）代謝物質(zhì)合成途徑相關(guān)物質(zhì)的含量
圖4 Z. tritici 侵染改變了苯丙素類(phenylpropanoids)代謝物質(zhì)合成途徑相關(guān)物質(zhì)的含量
4. Z. tritici以免疫相關(guān)的生物合成途徑為調(diào)控目標
作者研究了Z. tritici誘導的免疫相關(guān)代謝產(chǎn)物生物合成途徑的變化。作者重點研究了在其他植物系統(tǒng)中研究過的兩種生物合成途徑：苯并惡唑嗪酮類（benzoxazinoids, BXs）和苯丙素類(phenylpropanoids)。
BXs是一組植物抗病相關(guān)化合物。BX以非活性糖苷的形式存儲，在需要時以游離BX的形式釋放。Z. tritici侵染4天和8天后，中國春中，真菌侵染位置積累游離BX（圖3），在鄰近的不與真菌病原體直接接觸的位置積累無活性的BX糖苷（圖3d）。相比之下，Obelisk被Z. tritici.侵染后不會累積游離或存儲形式的BX。
苯丙素類是一大類植物酚類次生代謝產(chǎn)物。許多逆境誘導的苯丙素類化合物被認為是針對病原體的植物抗毒素。代謝組學比較分析表明，Z.tritici對苯丙素類化合物和從該途徑衍生的化合物（如肉桂酸酰胺（HCAAs）和類黃酮）的生物合成具有很強的調(diào)控作用（圖4）。Z. tritici侵染4天和8天后，中國春葉片的侵染位置和鄰近葉片組織中，發(fā)現(xiàn)高水平的羥基或糖苷化的肉桂醇。（羥基）肉桂醇是木質(zhì)素的前體，因此作者測量了Z.tritici感染之前和感染三天后Obelisk和中國春葉片中木質(zhì)素的含量。隨著葉片的生長，對照處理的葉片中的木質(zhì)素含量在兩個品種中均增加。然而，感染了Z.tritici的中國春葉中木質(zhì)素含量增加，而感染了Z.tritici的Obelisk葉中木質(zhì)素含量降低（補充材料中的圖片）。這表明，Z.tritici抑制了易感宿主Obelisk中免疫相關(guān)的細胞壁增強。
總之，中國春和Obelisk小麥品種對Z. tritici侵染的反應和免疫相關(guān)途徑的調(diào)控有明顯差異。免疫相關(guān)的代謝物質(zhì)通常在抗性品種中國春的真菌感染部位和鄰近組織中上調(diào)。Z. tritici可以調(diào)控易感小麥品種Obelisk中植物防御反應的化合物的生物合成途徑和積累。
圖5 Z. tritici 侵染改變了侵染位置和臨近葉片組織的葉片微生物組結(jié)構(gòu)
5. Z. tritici侵染與葉片微生物組的系統(tǒng)性變化相關(guān)
上述結(jié)果表明，Z.tritici抑制易感小麥中與免疫相關(guān)的生物合成途徑。此外，在抗性和易感小麥中，Z.tritici對免疫系統(tǒng)的調(diào)控對丁香假單胞菌在感染位置和植株其它葉片上的生長都有影響。那么，Z.tritici侵染是否影響改變感染位置和鄰近葉片組織中微生物的組成和結(jié)構(gòu)？
作者對葉片中的細菌群落（16S rDNA的V5—V7區(qū)域）進行測序，獲得3139個細菌操作分類單元（OTU）。在中國春中，真菌感染位置葉片組織以及鄰近葉片組織的群落豐富度顯著降低。相反，真菌感染對易感品種Obelisk的感染位置或鄰近葉片區(qū)域的細菌群落組成沒有顯著影響（圖5a）。
主坐標分析顯示，Z.tritici侵染導致中國春和Obelisk葉片侵染位置和其附近組織中，細菌的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（圖5b）。
這些數(shù)據(jù)表明，在抗性小麥品種中國春中，Z.tritici感染早期強烈改變了葉片中細菌群落結(jié)構(gòu)。作者推測這是免疫相關(guān)代謝產(chǎn)物上調(diào)和植物體系統(tǒng)誘導抗性的間接作用。
圖 6 Z.tritici侵染促進Z.tritici孢子在整個植株的侵染
6. 系統(tǒng)誘導性敏感可能會促進Z.tritici的傳播
Z.tritici侵染引起的植株系統(tǒng)誘導性敏感是否會促進新的Z.tritici孢子對小麥的感染？為了檢驗這個假設，作者在Obelisk植株第二片葉感染Z. tritici 4天后，用Z. tritici孢子侵染第三片葉。
作者使用定量PCR方法對第三葉片中的真菌生物量進行了定量。此外，作者還量化了第二和第三片葉子中葉片壞死和真菌孢子的量。第三葉片的真菌量因第二片葉子的感染而增加，但和對照間的數(shù)據(jù)差異并不顯著（圖6b，c）。
討論
系統(tǒng)獲得性抗性（Systemic Acquired Resistance, SAR)，是指病菌感染部位會產(chǎn)生免疫信號，提高植株其它部位對病原體的抗性。本文中，作者證明，病原菌可以操控、抑制植物的免疫系統(tǒng)，使植物的其它部位對病菌更敏感，作者將這種新現(xiàn)象稱為“系統(tǒng)誘導性敏感（Systemic Induced Susceptibility）”。
這種“系統(tǒng)誘導性敏感”可能是促進新的Z. tritici孢子感染的機制。作者的發(fā)現(xiàn)說明，我們需要重視病菌侵染過程中植物代謝組、微生物組的復雜交互作用。這一領(lǐng)域的進一步研究，對于開發(fā)基于植物益生菌的作物保護策略至關(guān)重要。
