文獻信息：

作者：Alice Boo, Tyler Toth, Qiguo Yu, Alexander Pfotenhauer, Brandon D. Fields, Scott C. Lenaghan, C. Neal Stewart Jr, Christopher A. Voigt

接收時間：7 February 2024

https:///10.1038/s41467-024-45897-6

Nature Communications 影響因子：17.694

背景介紹

在自然界中，植物與微生物之間的交流是復雜而又精妙的，它們通過化學信號進行著無聲的對話，以協(xié)調(diào)生長、抵御害蟲和適應(yīng)環(huán)境變化。然而，如何解碼并利用這些交流機制，以改善作物的生長條件和提高產(chǎn)量，是現(xiàn)代生物學和農(nóng)業(yè)科技面臨的一大挑戰(zhàn)。

在這項工作中，作者開發(fā)了模塊化跨界通訊渠道，使細菌能夠向植物傳達環(huán)境刺激。作者在 Pseudomonas putida 和 Klebsiella pneumoniae 中引入了一個“發(fā)送裝置”，當細菌受到影響基因通路被激活時，它會產(chǎn)生小分子 p-香豆酰高絲氨酸內(nèi)酯（pC-HSL）。這種分子觸發(fā)植物中的“接收裝置”以激活基因表達。作者在水培和土壤中生長的擬南芥（Arabidopsis thaliana） 和馬鈴薯（Solanum tuberosum）中驗證了這一系統(tǒng)，并展示了其模塊性，通過交換處理不同刺激的細菌，包括 IPTG、aTc 和砷。細菌和植物之間可編程的通訊渠道將使微生物哨兵能夠向作物傳遞信息，并為設(shè)計人工共生體提供構(gòu)建模塊。
   

圖文解讀    

圖 1 | 設(shè)計細菌到植物的通信

a 細菌在土壤中接收信號（灰色菱形），這誘導釋放通信信號（橙色圓圈），由植物細胞中的調(diào)節(jié)蛋白感知。

b 通信通道是模塊化的。要改變植物響應(yīng)的信號，只需用不同的細菌生長，這些細菌被設(shè)計成將不同的傳感器（A或B）連接到用于通信的化學物質(zhì)的合成。細菌還可以使用遺傳電路整合這些信號；這里顯示了一個或門。    

c 植物 pC-HSL 接收裝置。

d 對原核 RpaR 調(diào)節(jié)蛋白（橙色）進行修改，使其在植物中起作用。

e A. thaliana 野生型與攜帶 pC-HSL 接收器的 A. thaliana（A. thaliana 315_14_5）的表型比較。植物在水培系統(tǒng)中的 MS 培養(yǎng)基中誘導了 24 小時。

f A. thaliana 野生型與攜帶 pC-HSL 接收器的 A. thaliana（A. thaliana 315_14_5_1）在土壤中生長的表型比較。數(shù)據(jù)點代表用不同植物進行的重復實驗（高度、鮮重、干重、蓮座葉數(shù)、主莖數(shù)和主根長度 n = 6；主根長度和側(cè)根密度 n = 13–14），條形代表這些點的平均值。統(tǒng)計學上的顯著差異是使用雙尾學生 t 檢驗確定的（無顯著性 P > 0.05）。

圖 2 | A. thaliana pC-HSL 接收器

a 表達 GFP（綠色）并用碘化丙啶（PI，紅色）染色的 pC-HSL 接收器誘導的熒光顯微鏡圖像。A. thaliana 315_14_5_1 在水培系統(tǒng)中用 1 μM pC-HSL 誘導 24 小時（方法）。圖像代表在三天不同的實驗中使用不同植物進行的實驗。

b A. thaliana pC-HSL 接收器的響應(yīng)函數(shù)。每種顏色代表在 6 個不同天數(shù)上使用不同植物（A. thaliana 315_14_5）重復的實驗。

c pC-HSL 接收器的正交性。A. thaliana 315_14_5 在水培系統(tǒng)中用每種誘導劑 100 μM（對香豆酸、OHC14-HSL、OC6-HSL、OC12-HSL 和 pC-HSL）誘導 24 小時（方法）。點代表在不同天數(shù)上使用不同植物（A. thaliana 315_14_5）進行的重復實驗（n = 6 對于 pC-HSL 和未誘導，n = 3 對于其他 HSLs，n = 2 對于對香豆酸），條形代表這些點的平均值。

d 土壤中 pC-HSL 接收器誘導的顯微鏡圖像。A. thaliana 315_14_5_1 在土壤中生長，并通過用 100 μM pC-HSL 灌溉植物在無菌土壤中誘導（方法）。圖像代表在三天不同的實驗中使用不同植物進行的實驗。

e 土壤中 A. thaliana pC-HSL 接收器的誘導。條形代表三株在不同天數(shù)上生長的植物的平均熒光（A. thaliana 315_14_5）。在用 0 μM pC-HSL 誘導和 100 μM pC-HSL 誘導之間有 13 倍的上調(diào)。統(tǒng)計顯著性是使用雙尾學生 t 檢驗確定的（***P < 0.001; **P < 0.01; *P < 0.05; ns, 不顯著 P > 0.05）。源數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)文件提供。

a 首先使用 P. putida 和 K. pneumoniae 產(chǎn)生的 pC-HSL 來誘導植物中的接收器。

b 在水培中生長的 A. thaliana 315_14_5_1（補充表 3）與野生型 P. putida 或野生型 K. pneumoniae 的表型比較（方法）。

c 在水培中 P. putida 或 K. pneumoniae 產(chǎn)生 pC-HSL（pTT337）對 A. thaliana（A. thaliana 315_14_5_1）的 pC-HSL 接收器的誘導（方法）。點代表在不同天數(shù)上對 n = 3 株植物進行的實驗，條形代表這些點的平均值。    

d 在水培中誘導 A. thaliana 根部 pC-HSL 接收器（方法）。與 P. putida（左）和 K. pneumoniae（右）相比，當 P. putida 和 K. pneumoniae 產(chǎn)生 pC-HSL（pTT337）時的誘導情況。圖像代表在三天不同的實驗中使用不同植物進行的實驗（A. thaliana 315_14_5_1）。

e 在無菌和非無菌土壤中 P. putida 產(chǎn)生 pC-HSL（pTT337）對 A. thaliana pC-HSL 接收器的誘導（方法）。P. putida 通過種子接種或灌溉引入（方法）。點代表在不同天數(shù)上對 n = 3 株植物（A. thaliana 315_14_5_1）進行的實驗，條形代表這些點的平均值。

f 來自 e 面板的 P. putida 誘導 A. thaliana pC-HSL 接收器的顯微鏡圖像。統(tǒng)計顯著性是使用雙尾學生 t 檢驗確定的（***P < 0.001; **P < 0.01; *P < 0.05; ns, 不顯著 P > 0.05）。

a. A. thaliana 對經(jīng)過工程改造的 P. putida 響應(yīng)，該菌株在感知誘導劑 IPTG 或 aTc 時傳遞 pC-HSL（pTT409 和 pTT410，補充圖 35）在水培中（方法）。數(shù)據(jù)提取自補充圖 28 中的圖像。點代表在不同天數(shù)上對 n = 3 株植物（A. thaliana 315_14_5_1）進行的實驗，條形代表平均值。顯微鏡圖像與藍圈重復的匹配。

b. P. putida 和 K. pneumoniae 被工程改造以檢測砷（pTT417），并在水培中將輸出通信到 A. thaliana pC-HSL 接收器（方法）。點代表在不同天數(shù)上對 n = 3 株植物（A. thaliana 315_14_5_1）進行的實驗，條形代表平均值。顯微鏡圖像與紅圈重復的匹配。    

c. A. thaliana 315_14_5_1 與 P. putida sTT659 共同培養(yǎng)，該菌株被設(shè)計有或門（pTT434，補充圖 38），對 aTc 或 IPTG 產(chǎn)生響應(yīng) pC-HSL。數(shù)據(jù)提取自補充圖 30 中的圖像。生長條件和重復實驗與 a 部分相同。與未誘導狀態(tài)相比，每種誘導狀態(tài)下的 P 值分別為：+IPTG/-aTc：0.02，-IPTG/+ aTc：0.05，+ IPTG/+ aTc：0.03。顯微鏡圖像與藍圈重復的匹配。

d. A. thaliana 315 與兩株 P. putida 共同培養(yǎng)，每種菌株對不同的信號產(chǎn)生 pC-HSL 響應(yīng)。菌株、生長條件和重復實驗與 a 部分相同。與未誘導狀態(tài)相比，每種誘導狀態(tài)下的 P 值分別為：+IPTG/-aTc：0.008，-IPTG/+ aTc：0.010，+ IPTG/+ aTc：0.0007。顯微鏡圖像與黃圈重復的匹配。統(tǒng)計顯著性是使用雙尾學生 t 檢驗確定的（***P < 0.001; **P < 0.01; *P < 0.05; ns, 不顯著 P > 0.05）。

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