FadL에 의해 매개되는 뿌리로의 Rhizobial 이동

Nov 19, 2023

ISME 저널 17권, 417~431페이지(2023)이 기사 인용

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rhizosphere에서 rhizoplane으로의 이동은 뿌리 미생물 군집 조립의 주요 선택 과정이지만 완전히 이해되지는 않았습니다. Rhizobiales 구성원은 육상 식물의 핵심 뿌리 미생물 군집에서 과도하게 대표되며 여기에서 우리는 야생 콩, 재배 콩, 쌀 및 옥수수에 대한 유익한 Sinorhizobium fredii의 rhizoplane Fitness 유전자의 게놈 전체 트랜스포존 시퀀싱을 보고합니다. 광범위한 숙주 범위의 rhizoplane 집락화에 관여하는 유전자는 거의 없었습니다. 지방산 수송체가 결여된 fadL 돌연변이체는 높은 집락화율을 보인 반면, exoFQP(외다당류 중합 및 분비를 지시하는 막 단백질을 코딩하는 단백질)의 돌연변이는 엑소다당류 생합성에 필수적인 엑소 유전자의 돌연변이가 아니어서 집락화율이 심각하게 손상되었습니다. 이러한 변이는 근권 및 근평면 생존 가능성, 관련 생물막 및 엑소다당류 생산으로 설명할 수 없지만 근평면으로의 이동 능력, 관련 표면 운동성 및 쿼럼 감지 AHL(N-아실화-L-호모세린 락톤)의 혼합물과 일치합니다. . 유전학 및 생리학 증거에 따르면 FadL은 장쇄 AHL 흡수를 매개하는 반면 ExoF는 장쇄 AHL 생합성에 부정적인 영향을 미치는 단쇄 AHL의 분비를 매개하는 것으로 나타났습니다. fadL 및 exoF 돌연변이체는 각각 세포외 장쇄 AHL이 증가하고 고갈되었습니다. fadL 돌연변이를 모방한 장쇄 AHL의 합성 혼합물은 근막 표면 운동성을 향상시킬 수 있습니다. 이 AHL 혼합물이 근권에 발견되면 S. fredii의 뿌리와 근평면 군집을 향한 이동이 확산 가능한 방식으로 향상되었습니다. 이 연구는 rhizoplane으로의 박테리아 이동을 조절하는 세포외 AHL을 관리하는 새로운 부분을 추가합니다. FadL-ExoFQP 시스템은 Alphaproteobacteria에 보존되어 있으며 다양한 핵심 뿌리박테리아의 "가정 생활"을 형성할 수 있습니다.

계속해서 확대되는 원핵생물 종 목록에도 불구하고[1], 전 세계적으로 토양에 풍부한 분류군은 거의 없습니다[2]. 토양 특성은 뿌리 관련 박테리아 군집의 구성을 결정하는 데 식물 유전자형보다 더 중요한 역할을 합니다[3, 4]. 이러한 맥락에서 많은 연구에서는 쌀[5], 감귤류[6], 사탕수수[7] 및 다양한 콩과 식물과 같은 다양한 조건의 여러 지리적 위치에 걸쳐 식물 종과 재현 가능하게 연관되어 있는 군집 구성원의 하위 집합을 추가로 확인했습니다. 종 [8]. 이용 가능한 증거는 대량 토양에서 근권, 근권, 내권으로 순차적으로 뿌리 미생물군집 집합을 위한 다단계 모델의 확립을 뒷받침하며, 여기서 근평면은 선택 게이트입니다 [5, 9]. 이러한 다단계 패턴은 광범위하게 기술되었지만, 서로 다른 틈새(대량 토양, 근권 및 근평면)에서 뿌리박테리아의 분포와 풍부함을 형성하는 기본 유전자-환경 상호작용은 아직까지 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다[10,11,12]. 이러한 지식 격차는 이러한 생태학적 틈새에 있는 뿌리박테리아의 "가정생활"에 대한 궁극적인 진화적 설명을 방해합니다[12].

모델 rhizobacteria의 rhizoplane Fitness 유전자에 대한 게놈 차원의 식별은 통제된 조건 하에서 Tn-seq 분석에 의해 크게 가속화되었습니다 [13,14,15,16,17,18]. 그러나 이러한 높은 처리량 연구에서는 다양한 식민지화 단계에서 이러한 적합성 유전자의 기능적 특성이 다루어지지 않았습니다. 현재의 다단계 집락화 모델은 뿌리를 향한 주화성, 부착 및 이후의 뿌리면에 다세포 생물막 형성을 포함하며, 이는 다양한 뿌리박테리아로부터의 누적 역유전학 증거에 의해 뒷받침됩니다 [19]. 뿌리 삼출물의 화학적 구배는 중요한 조건(예: 신호 기능) 및 자원(영양가) 역할을 하며, 운동성 박테리아와 차등적으로 상호 작용하여 뿌리 틈새를 향한 이동 과정을 형성하는 것으로 추정됩니다[20, 21]. 유기산, 탄수화물, 당 알코올, 아미노산 및 식물 호르몬에 대한 화학효과기 기능이 제안되었지만 박테리아 화학수용체에 의해 직접 인식되는 리간드는 대부분 알려져 있지 않습니다[23]. 다양한 박테리아 부착소에 의해 매개되는 rhizoplane 부착 시[24], 운동성 박테리아는 점차적으로 고착 형태로 전환되고, 이어서 기질에 내장된 박테리아 공동체(엑소폴리사카라이드(EPS), eDNA, eRNA, 단백질, 지질 및 기타 물질)의 성장과 성숙이 뒤따릅니다. 생체분자), 즉 다세포 생물막[25]. 생물막은 고도로 보존된 정족수 감지 신호인 N-아실 호모세린 락톤(AHL)을 통해 서로 통신하는 동일하거나 다른 종의 여러 세포의 "집"입니다. 대조적으로, 밀도 의존적 쿼럼 감지 프로세스가 루트 틈새 시장으로의 이동에 어느 정도 관련되어 있는지는 여전히 파악하기 어렵습니다[19, 27, 28]. 이는 뿌리 미생물군집 집합을 이해하고 엔지니어링하는 데 필수적입니다[29, 30].

99%) of C8-HSL, 3-OXO-C8-HSL, C12-HSL, 3-OXO-C12-HSL, C14-HSL, 3-OXO-C14-HSL were purchased from Sigma (Darmstadt, Germany). The 1 µg/ml solutions were serially diluted to 1/4, 1/16, 1/256, and 1/1024. Mass spectrometric analyses were performed on a Q Exactive HF-X quadrupole trap mass spectrometry (Thermo Scientific, Waltham, MA. USA). Precursor ion-scanning experiments were performed in positive-ion mode to monitor for m/z 102./p> 0.05). The number of colony-forming units (CFUs) on rhizoplane showed a global host-dependent pattern (Fig. 5A), consistent with the variation in root exudates of different plants species [20] and their effects on root microbiome assembly [21]. Nevertheless, the opposite rhizoplane colonization ability between the fadL mutant and the exoF, exoP, and exoQ mutants was not host-dependent. Therefore, the following experiments on rhizosphere effects were only performed on one plant species (wild soybean)./p> 0.05). Regardless of survivability across these sites, the fadL and exoF mutants had higher (153–223% more CFUs than SF2; p values < 0.001; grey bars on the left panel of Fig. 6B) and lower (75–98% lesser CFUs than SF2; p values < 0.001; grey bars on the left panel of Fig. 6C) rhizoplane colonization rates, respectively, compared to SF2 (grey bars on the right panels of Fig. 6B, C). All rhizosphere phenotypes associated with these two mutants can be restored in their corresponding complementary mutant strains (Fig. 6D, E). These results are consistent with their contrasting surface motility ability (Fig. 4 and Fig. S5). Collectively, the variation in rhizoplane colonization ability among the fadL and exoF mutants, and SF2 is mainly modulated by their surface motility in the migration process from rhizosphere to rhizoplane./p> 0.05) when they were inoculated as a 1:1 mixture. In line with these rhizoplane colonization experiments, the sinI or traI sinI mutants showed impaired surface motility compared to SF2 and the traI mutant (Fig. S10B; p values < 0.001), but this surface motility defect can be recovered when they were mixed with SF2 (Fig. S10C). Therefore, the rhizoplane colonization defect of the sinI mutant was not as significant as that of the mutant lacking a multifunctional ExoF in an inoculant mixture containing the wild-type SF2./p>

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