近期，有很多趣粉在后臺留言，問小趣什么時候推送關于植物代謝組學研究方面的文獻。今天，小趣就滿足趣粉們的需求，分享一篇發表在Nature Communications（ IF=11.878）的文章，題目為：Plant metabolism of nematode pheromones mediates plant-nematode interactions。
1研究背景
植物和動物對病原體攻擊的免疫反應部分是通過特定的細胞外和細胞內感受器檢測病原體相關分子模式(PAMPs) (圖1a)來觸發的，例如細菌的鞭毛蛋白和肽聚糖或真菌的甲殼素等不同種類病原體的大分子。百趣代謝組學文獻分享，識別這些外來(非我)大分子導致的天然免疫激活通常被稱為模式觸發免疫(Pattern-rigered Immune，PTI)。
線蟲是地球上最豐富的動物之一，植物寄生線蟲在土壤中無處不在，蛔苷作為線蟲的一個古老的分子特征，能夠導致典型防御信號通路的快速激活，類似于微生物大分子PAMPs (圖1a)的作用。雖然微生物和線蟲來源的PAMPs的分子結構已經確定，但尚不清楚受感染植物或動物的新陳代謝對PAMPs的編輯在多大程度上對觀察到的免疫反應起作用(圖1a)。因此，作者對植物是否代謝線蟲來源的蛔苷展開了研究。
2研究方法
本文通過對不同植物（擬南芥、番茄）在不同處理條件下（DC3000侵染、根結線蟲侵染、外源物質添加）其組織及根系分泌物進行代謝組學分析，證明植物寄生線蟲分泌的信息素，蛔苷ascr#18能被植物新陳代謝，并闡明其作用機制。
實驗分組：植物對照組、侵染組、突變組、蛔苷治療組。
檢測平臺：LC-QE-MS
3實驗結果
1.植物將ascr#18代謝成蛔苷的混合物
為了測試植物是否代謝線蟲來源的PAMP ascr#18，作者采用了基于高分辨液相色譜-質譜(LC-MS)分析的比較代謝組學方法，對ascr#18處理的植物組織進行了分析，顯示在ascr#18處理的植物中存在ascr#18，但在模擬處理的植物中沒有(圖1c和d)。百趣代謝組學文獻分享，此外，在所有三個物種中，作者發現了一系列僅在ascr#18處理的植物中存在代表側鏈較短蛔苷的額外峰，特別是ascr#10、ascr#1和ascr#9 (圖1c和d)。在所有情況下，蛔苷ascr#9是最豐富的代謝物，其中ascr#18的11碳側鏈已縮短到只有5個碳(圖1d)。為了證實短鏈的蛔苷實際上來源于添加的ascr#18，作者在番茄中使用13C2標記的ascr#18(圖2a)重復了這個實驗。
為了測試觀察到的代謝轉化是否需要與土壤相關的微生物，作者用ascr#18直接滲透到4周大的土壤中的擬南芥植株的葉片中，然后采集葉片組織進行如上所述的LC-MS分析。與根處理類似，ascr#18在葉片中積累并轉化為較短的側鏈蛔苷(圖2b和c)，在擬南芥中，測得的ascr#9濃度在滲透后的第一個12h達到峰值，隨后在96h下降到非常低的水平，表明ascr#9被進一步代謝或運輸到植物的其他組織(圖2c)。綜上所述，這些實驗證明了單子葉和雙子葉植物對ascr#18的吸收和轉化為側鏈較短的蛔苷，主要是ascr#9。
圖1 線蟲衍生的ascr#18在植物中的積累和代謝
圖2 短鏈蛔苷來源于外源應用的ascr#18的新陳代謝
2.植物通過過氧化物酶體β氧化代謝ascr#18
圖3A顯示了比較擬南芥和線蟲過氧化物酶體β氧化途徑的一般方案。為了測試ascr#18在植物中是否通過過氧化物酶體β氧化代謝，作者分析了這一途徑關鍵酶受損的擬南芥突變體(圖3b)。對經ascr#18處理的野生型和acx1acx5植株進行詳細的代謝組學比較表明，突變體積累了高水平的ascr#18(11碳側鏈)，以及少量的ascr#10(9碳側鏈)，而沒有檢測到ascr#1和ascr#9(分別為7-碳鏈和5-碳鏈)(圖3c)。百趣代謝組學文獻分享，綜上所述，這些觀察表明，在植物中，ascr#18代謝成短鏈蛔苷是通過內源過氧化物酶體β氧化進行的，ACX1和ACX5對于ascr#10的鏈縮短是功能冗余的，而從ascr#18到ascr#10的第一個鏈縮短步驟可能涉及額外的酰基輔酶A氧化酶。
圖3 擬南芥通過保守的過氧化物酶體β氧化代謝ascr#18
3.ascr#18代謝是線蟲抗性所必需的
為了測試ascr#18是否在ascr#18介導的增強對細菌病原體的抗性中起作用，作者比較了ascr#18處理對野生型擬南芥和acx1 acx5突變體(ascr#18到ascr#9代謝缺陷)感染丁香假單胞菌DC3000的影響。在感染紫丁香假單胞菌之前，1μM ascr#18預處理24小時在acx1 acx5和野生型中提供了同等水平的保護(圖4a，b)，表明ascr#18通過ACX1或ACX5代謝不是增強對該細菌病原菌抗性所必需的。百趣代謝組學文獻分享，轉化為短鏈蛔苷，作者懷疑ascr#18的代謝是否是激活防御反應和抵抗病原菌所必需的。
為了評估ascr#18的植物代謝是否有助于防御線蟲，作者比較了ascr#18處理對野生型和acx1 acx5突變體與根結線蟲(南方根結線蟲)侵染的影響。作者發現，雖然在接種前用10 nm或50 nm的ascr#18預處理根系48小時對野生型有顯著的保護作用，但ascr#18處理對acx1 acx5突變體沒有影響(圖4a，c)。
在第二個實驗中，在將野生型和acx1 acx5幼苗移到含有南方根結線蟲第二期幼蟲(J2)的PF-127凝膠中之前用ascr#18處理48h(圖4a，d，e)。在苗木移栽后6h計數J2幼蟲觸根情況。在50 nm處用ascr#18預處理，野生型的J2幼蟲觸及根尖或整個根區的數量顯著減少，而acx1 acx5的J2幼蟲接觸根尖或整個根區的數量沒有明顯減少。第二，更高的ascr#18濃度(1μM)對野生型或突變體的南方根結線蟲行為沒有顯著影響。綜上所述，這些結果表明ascr#18代謝是提高ascr#18處理植株對線蟲侵染抗性所必需的，而增強對細菌的抗性不受影響。
圖4 acx1 acx5是ascr#18介導的增強對根結線蟲抗性所必需的，而不是細菌病原菌。
4.防御信號不依賴于ascr#18的新陳代謝
為了評估ascr#18是否需要通過過氧化物酶體β氧化來激活這些防御信號通路，作者比較了ascr#18處理的野生型和acx1 acx5植物葉片中選定的標記基因的表達(圖4f)。發現通過ascr＃18激活典型防御信號通路通常不需要通過過氧化物酶體β氧化的ascr＃18代謝。與先前的研究一致，在野生型中，低ascr#18濃度不能誘導防御基因的表達，而在acx1 acx5雙突變體中保持不變。百趣代謝組學文獻分享，由于在較低的ascr#18濃度下觀察到對線蟲的抗性增強，不足以誘導野生型或acx1 acx5雙突變體中防御基因的表達，因此，ascr#18代謝對線蟲抗性的影響可能不是通過植物防御信號通路直接介導的。
5.植物根系分泌ascr#18代謝物
植物通過其根分泌大量的初級和次級代謝物，包括促進與土壤生物相互作用的信號分子。由于ascr#18代謝不是抵抗細菌或激活典型的植物防御信號通路所必需的，但對于防御線蟲是必不可少的，因此作者考慮了ascr#18代謝產物通過根分泌從而影響線蟲尋找宿主行為的可能性。為了測試這種可能性，作者比較了ascr#18和模擬處理的擬南芥根系分泌的代謝物(圖5a)。百趣代謝組學文獻分享，基于HPLC-MS的比較代謝學分析顯示，在ascr#18處理的野生型中，所有已鑒定的ascr#18代謝物，包括ascr#10、ascr#1和ascr#9都能分泌。
6.植物來源的蛔苷混合物可以阻止寄生線蟲
之前研究已經證明，不同的蛔苷混合物可以誘導吸引或回避行為。例如，最豐富的ascr#18代謝物，ascr#9，先前已被證明在昆蟲病原線蟲中介導擴散行為，這些線蟲與根結線蟲有親緣關系。因此，作者推測ascr#9的分泌可能在介導植物-線蟲相互作用中發揮作用。然而，與ascr#18處理野生型相比，在將幼苗移到含有南方根結線蟲J2幼蟲的PF-127凝膠上之前，ascr#9既不處理野生型也不處理acx1 acx5 48h，顯著降低了侵染率(圖5b)。
百趣代謝組學文獻分享，因為先前的幾項研究表明，蛔苷介導的表型可能涉及兩個或更多組分，接下來作者考慮了一種可能性，一種混合的蛔苷，而不僅僅是一種化合物，可能導致線蟲向根的遷移受到抑制，因此，作者在前面描述的定量趨化性種群分析(圖5c)中測試了由線蟲直接排泄的ascr#18及其最豐富的植物代謝物ascr#9的一系列組合。作者發現，含有1：10比例的ascr#18和ascr#9的混合物引發了顯著的回避行為，而低濃度的任何一種化合物都略具吸引力或沒有任何影響(圖5d)。這些結果表明，植物分泌的ascr#9與ascr#18相結合可以驅除根際中的線蟲，從而減少感染。
圖5 植物來源的蛔苷混合物可以阻止根結線蟲
4結論
根際微生物和線蟲對植物健康有著深遠的影響，小分子信號轉導被認為在植物根際相互作用中起著核心作用。然而，人們對這些信號的性質和潛在的機制知之甚少。百趣代謝組學文獻分享，在這里，作者證明了蛔苷ascr#18，一種由植物寄生線蟲分泌的信息素，被植物新陳代謝，產生排斥線蟲和減少感染的化學信號，另外，植物編輯線蟲信息素是一種與常規模式觸發免疫平行的防御機制，表明植物可能主動操縱土壤有機體的化學信號。