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Scientific Reports volume 13、記事番号: 9445 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

シュードモナドは代謝的に柔軟性があり、さまざまな植物宿主上で増殖できます。しかし、宿主の乱交に必要な代謝適応は不明です。今回我々は、RNAseqを利用し、2つの植物宿主であるトマトとトウモロコシの根滲出液に対するPseudomonas donghuensis P482のトランスクリプトーム応答を比較することで、この知識のギャップに対処した。私たちの主な目的は、これら 2 つの回答の違いと共通点を特定することでした。トマトの浸出液によってのみ上方制御される経路には、一酸化窒素の解毒、鉄硫黄クラスターの修復、シアン化物非感受性のシトクロムbdを介した呼吸、およびアミノおよび/または脂肪酸の異化が含まれる。最初の 2 つは、試験植物の浸出液中に NO 供与体が存在することを示しています。トウモロコシは、MexE RND 型排出ポンプの活性と銅耐性を特異的に誘導しました。運動性に関連する遺伝子はトウモロコシによって誘導されましたが、トマトによって抑制されました。滲出液に対する共通の反応は、植物由来の化合物とその生育環境由来の化合物の両方によって影響を受けるようです。ヒ素耐性とバクテリオフェリチン合成が上方制御される一方で、硫黄の同化、クエン酸第二鉄および/または他の鉄担体の感知、ヘムの獲得、および極性アミノ酸の輸送は下方制御されました。私たちの結果は、植物関連微生物における宿主適応のメカニズムを探索するための方向性を提供します。

植物は、根から有機化合物の混合物を放出することにより、根圏の微生物群集に栄養を与えます1。根の浸出液には、有機酸、アミノ酸、糖などの一次代謝産物と、生理活性またはシグナル伝達特性を持つ二次代謝産物が含まれています。滲出液の正確な化学組成は植物種と植物の生理学的状態に依存し、後者は発育段階、栄養素の利用可能性、およびストレス因子の存在に依存します2。浸出液の組成と植物の自然免疫の働きの違いにより、根の微生物叢の組成と活動が決まります3。

シュードモナス属細菌は、さまざまな植物宿主の根を含むさまざまな環境ニッチで繁殖できます。その競争力には、代謝の柔軟性と、抗菌剤や鉄除去化合物などの幅広い二次代謝産物の生成が含まれます4。多くの植物関連株は、植物の成長を促進し、非生物的ストレスを軽減し、病原体から植物を保護します5。特定のシュードモナス株が定着できる植物の系統学的広がりに関する包括的な研究は存在しません。しかし、特定のシュードモナドは、その起源とは異なる植物種または複数の作物に対して生物防除剤として有効であることが証明されており、シュードモナドがむしろ無差別に植物に定着する可能性があることが示唆されています6。

植物種が特徴的な微生物群集を選択する7、系統発生的により遠い植物宿主が最も特徴的な微生物叢集団をリクルートするという認識が高まっています8。したがって、シュードモナドなどの一部の微生物の明らかな宿主の乱雑さは、細菌が複数の宿主に定着するため、または生理学的変化を受ける宿主との関係を維持するために必要な代謝変化について疑問を引き起こします。ほとんどの研究は単一の宿主と微生物の相互作用のみを扱っているため、この問題に既存のデータで対処するのは困難です。さらに、植物と微生物の相互作用における宿主特異性の決定要因は、共生根粒菌については詳しく研究されているが、宿主とあまり親密な関係を形成していない細菌ではほとんど注目されていない9。

Pseudomonas donghuensis P482 は、いくつかの細菌性および真菌性の植物病原体の増殖を阻害する生物防除株です 10,11。この細菌はもともとトマト (Solanum lycopersicum L.) の根圏から分離されましたが、ジャガイモの根圏 12 や、この研究で示されているようにトウモロコシの根にも定着することができ、雑種における宿主適応形質を研究するための有望なモデルとなっています。根に定着する細菌。

この研究では、Pseudomonas donghuensis の分化（「宿主特異的」）および共有（「宿主非依存性」）トランスクリプトーム応答の遺伝子を同定することにより、どの代謝経路が異なる植物宿主に対するシュードモナス属の適応応答の一部となり得るかを調査します。 P482 は、系統発生的に異なる 2 つの植物種、トマト (双子葉植物) とトウモロコシ (単子葉植物) の根の滲出液に作用します。

この研究の方法は、関連する制度的、国家的、国際的なガイドラインおよび法律に従っています。この研究プロトコルは、絶滅の危機に瀕している種に関する研究に関する IUCN 政策声明および絶滅の危機に瀕している野生動植物の種の取引に関する条約にも準拠しています。

根圏コロニー形成アッセイは、P48212 の自然発生的リファンピシン耐性変異体である P482 Rif を使用して実行されました。植物は、P482 を接種した種子から非滅菌土壌で 18 日間生育しました。実験の詳細については、補足情報 (SI) を参照してください。

トマト (Solanum lycopersicum L.) cv. サンピエール (ヴィルモリン庭園、ポーランド) とトウモロコシ (Zea Mays L.) cv. Bejm (ポーランド、スモリツェの植物育種順化研究所から提供) は種子から栽培されました。

トマトの種子を、70% エタノールで 1 分間処理し、続いて 3% NaOCl で 3 分間処理し、滅菌蒸留水で 3 回リンスすることによって滅菌しました。トウモロコシの種子を、3% NaOCl で 15 分間 2 回、続いて 70% エタノールで 10 分間処理し、滅菌蒸留水で 3 回洗浄することにより表面滅菌しました。表面滅菌した種子を発芽培地（GM）（Gamborg B5ビタミン、2%スクロース、0.2%小麦ペプトンおよび0.7%植物寒天を含む0.5×MurashigeおよびSkoog培地、pH約6.1）上で発芽させた。 GM を使用する利点は、ペプトンの添加により、発芽中の種子の微生物汚染をスクリーニングできることです。トマトは 24 °C の暗所で発芽しましたが、トウモロコシは 22 °C の明所で発芽しました。感染の兆候のない発芽種子を、大粒石英砂 (1.4 ～ 2 mm) (AQUAEL、ポーランド) の入った容器に移しました。培養条件は、各種のサイズと栄養要件に合わせて最適化されました。トウモロコシは 900 mL のガラス瓶で 1/4 ホーグランド培地、pH 5.6 ～ 5.8 (ホーグランド No. 2 基礎塩混合物、メルク) で、瓶あたり 3 本の苗で培養されました。一方、トマトはＧＡ－７マゼンタ容器（メルク）内で、１容器あたり６植物、１／２のホーグランド培地で培養した。植物を22℃、16時間明期/8時間暗期の日長で13日間生育させた。どちらの植物種もこの期間内に 2 番目の葉を確立しました。

ノトバイオティック条件で生育した植物を砂から取り出した。根を水で 2 ～ 4 分間洗浄し、高純度滅菌水を入れたガラスビーカーに移し、2 時間インキュベートしました。小さなトマトの葉の一部が水面に触れていました。細菌培養 (RNAseq) および化学分析に十分な浸出液を得るために、174 本のトマト植物と 48 本のトウモロコシ植物からの浸出液が収集されました。この数の植物から、4.5 mg のトマト浸出液と 6.6 mg のトウモロコシ浸出液が得られました。それぞれの種からのサンプルをプールし、0.22 μm の低結合 PES 膜 (Thermo Scientific) を通して濾過滅菌しました。サンプルを -80 °C で凍結し、凍結乾燥しました。

根滲出液の化学組成の非標的分析は、ガスクロマトグラフィー質量分析法 (GC-MS) と核磁気共鳴 (NMR) を使用して実行されました。 21 個のアミノ酸の相対量は、液体クロマトグラフィー選択反応モニタリング質量分析法 (LC-SRM) で評価されました。すべての詳細は補足情報 (SI) に記載されています。

P482 は、トマトまたはトウモロコシの凍結乾燥浸出液を (対照) 添加または添加せずに、1C 培地 (M9 塩、2 mM Mg2SO4、0.1 mM CaCl2、0.4% グルコース 13) 中で 28 °C で増殖させました。実験は96ウェルプレートで行い、EPOCHマイクロプレートリーダー(BioTek)で軌道振盪しながらインキュベートし、OD600を20分ごとに測定しました。 3 つの濃度の滲出液（0.02 mg L-1、0.1 mg L-1、0.2 mg L-1）をテストして、P482 の成長パラメーターに対する影響を検証しました（図 S1）。最高濃度は滲出液による遺伝子発現変化を引き起こす可能性が最も高いと考えられたため、その後、最高濃度を適用して RNAseq による調査用に細胞を増殖させました。培地のpHは、MQuant pHインジケーターストリップ(Supelco)を使用して、接種前および初期定常期までのP482の増殖後に測定した。

無添加の1C培地で33時間増殖させた後、トウモロコシまたはトマト浸出液を含む1C培地で増殖させた場合はそれぞれ24時間および28時間後、初期定常期に達した細菌を回収しました（OD600 0.35〜0.48）（図S1）。各処理ごとに、細胞の 3 つのプール (約 109) を遠心分離によって収集し、fixRNA (Eurx、ポーランド) で固定しました。各プールは、下流の RNAseq で個別の生物学的複製として処理されました。 RNeasy Mini Kit (Qiagen) を使用して全 RNA を単離しました。精製した RNA を TURBO DNA-free™ キット (Thermo Fisher Scientific) で処理しました。 gDNA の混入がないことは、gyrB をターゲットとするプライマーを使用したリアルタイム PCR によって確認されました。

2 つの浸出液処理とコントロール (1 C 培地のみ) のそれぞれにつき 3 つの生物学的複製を使用して、9 つの RNA サンプルの配列を決定しました。 RNA の完全性の評価、rRNA の枯渇、ライブラリーの調製、Illumina シーケンス (サンプルあたり最小 5 GB)、トランスクリプトームアセンブリ、および差次的遺伝子発現解析は、Baseclear (オランダ、ライデン) に委託されました。フィルタリングされた RNA-seq リードは、P482 の参照ゲノムにマッピングされました (Genbank: JHTS00000000.1)14。フィルタリングとアライメント後の統計は、それぞれ表 S1 と表 S2 で入手できます。主成分分析を適用して、複製サンプルが別々のクラスターを形成しているかどうかを検証しました（図S2）。 DESeq2 1.22.215 を使用して、差次的遺伝子発現解析を実行しました。さらなる分析は社内で行われました。遺伝子発現の変化は、生物学的有意性（1.5 log2倍変化（FC））および統計的有意性（p < 0.05; 調整されたp値、偽発見率（FDR）を制御するためのBenjamini-Hochberg（B-H）補正）についてフィルタリングされました。 Padj > 0.05 の遺伝子、および調整値 (NA) を割り当てることができなかった遺伝子は、下流解析から除外されました。 BioVenn16 を使用して、差次的に発現された遺伝子の重複グループを視覚化しました。タンパク質は、eggNOG マッパー 5.017 を使用してオルソロガスグループ (COG) のクラスターに割り当てられ、BlastKOALA18、19、20、21 を使用して KEGG 代謝経路に割り当てられました。 COG および KEGG 経路内の濃縮は、参照として P482 のゲノム (JHTS00000000.1) を使用して確立され、統計的有意性を決定するためにフィッシャーの直接確率検定が適用されました (p < 0.05; 調整された p 値、B-H 補正)。遺伝子ネットワーキングとクラスター濃縮は、P. donghuensis HYS のゲノムを参照として STRING 11.5 (2023 年 5 月)22 を使用して分析されました 11。

RNAseq データは、異なる発現パターンを持つ 6 つのターゲット（BV82_3254、mexE、norC、ssuC、trpB、および ytfE）を使用した RT-qPCR によって検証されました。逆転写およびリアルタイム qPCR は前述のように実行されました 23。プライマーの詳細は表 S3 にあります。アンプリコンのサイズはゲル電気泳動によって確認されました（図S3）。遺伝子発現解析は、qbase + 24 を使用して実行されました。適用された参照遺伝子 gyrB および rpoD は、以前の研究 23 に基づいて選択され、解析されたデータセットでの安定性が確認されました (平均 M = 0.543; CV = 0.181)。発現は、滲出液なし（未処理）の 1C 培地で増殖した P482 に由来するサンプルに合わせて調整されました。発現の差の統計的有意性は、対応のない t 検定を使用して評価されました。

P482 Rif は、接種種子から土壌で生育した生後 18 日のトマトおよびトウモロコシ植物の根に存在しました。算術平均に基づいて、トマトの根の個体群サイズはトウモロコシの根の個体数よりも約10倍大きく、トマトでは1.54×107 CFU g-1、トウモロコシでは2.35×106 CFU g-1に達しました（図S4）。中央値を考慮すると、その差は 25 倍であり、トマトとトウモロコシの個体群サイズはそれぞれ 8.1 × 106 CFU g-1 と 3.1 × 105 CFU g-1 でした。違いにもかかわらず、両方の植物の P482 の個体数サイズは大きいと考えられ、この株が両方の宿主に定着するのに適応できることを意味します。

トマトまたはトウモロコシの根浸出液（0.2 mg L-1）の存在下で増殖させたP482細胞の全トランスクリプトームプロファイリングを実行しました。どちらも、1C培地単独と比較して細菌の増殖を刺激しました（図S1A、B）。トランスクリプトームでは 5,168 個の遺伝子が検出され、ゲノム全体の 99% をカバーしました。 RNAseq による転写物の存在量の測定の信頼性は、選択した標的に対する逆転写リアルタイム qPCR (RT-qPCR) を使用して確認されました (図 S5)。

トマト浸出液は、添加されていない培地と比較して、413 個の遺伝子 (7.99%) の発現を変化させました。これらはさらに、トマト誘導差次的発現遺伝子 (tiDEG) とも呼ばれます。トウモロコシ浸出液は、miDEG (トウモロコシ誘導 DEG) とも呼ばれる 181 個の遺伝子 (3.51%) の発現に影響を与えました (図 1)。 miDEGS よりも tiDEG の数が多く、平均 log2FC 値が高かったという事実 (2.27 log2FC 対 2.14 log2FC; データセット S1) は、トマトの浸出液に対する P482 の反応が、トマトの浸出液に対する反応よりも広範囲かつ顕著であったことを示唆しています。トウモロコシの浸出液。これがトウモロコシが P482 の元の宿主ではないという事実と関係があるかどうかは未解決の疑問です。 P482 およびトマトと同様のスケールのトランスクリプトーム応答が、ビート (Beta vulgaris) の浸出液を補充した CAA 培地で増殖する緑膿菌 PAO1 について報告されました 25。後者の研究では、植物と微生物の相互作用に関与する、おそらく宿主特異的な新規遺伝子を同定することを目的としており、著者らは、異なる微生物群集を選択することが知られている2つのビートルート品種、ケルトとロベルタの滲出液に対するPAO1の応答を比較した。品種に応じて、PAO1 のトランスクリプトームの 9.30% および 8.13% が滲出液の影響を受けました。

P. donghuensis P482 のトマトおよびトウモロコシによって引き起こされるトランスクリプトームの遺伝子のサブセット (A)、および各サブセットで上方制御および下方制御される遺伝子の割合 (B) を示すベン図。 tiDEG (413) および miDEG (181) は、無添加培地 (対照) と比較した場合、それぞれトマトまたはトウモロコシの根浸出液に応答して有意に異なる発現を示しました。反対に、点線で囲まれたセットである分化反応の遺伝子 (GDR、278) は、2 つの浸出液処理間で発現に有意な変化を示しました。共有応答遺伝子 (SRG、63) は、miDEG、tiDEG、および GDR の重ね合わせによって確立され、同様の方法で両方のタイプの滲出液によって影響を受ける遺伝子を含みます。重ね合わせの結果得られる追加のサブセットは、トマト特異的 GDR (150) とトウモロコシ特異的 GDR (34) です。それらは同時に 2 つの基準を満たしました。それらは GDR 内にあり、同時にその発現は 1 種類の滲出液のみで処理した場合の培地内とは大きく異なりました。発現の有意な変化の有意カットオフ: p < 0.05 (padj; B–H 補正)。 log2FC > 1.5。各サブセットの遺伝子座のリストはデータセット S6 にあります。パネル B では、上方制御された遺伝子はマゼンタ (左側) で示され、下方制御された遺伝子は青色 (右側) で示されます。遺伝子の割合と実際の ORF 数の両方がグラフに示されます。

この研究における我々の目的は、トマトとトウモロコシの浸出液に応答して、P482 において (1) 異なって調節され、(2) 同様に調節される代謝経路を特定することでした。これを行うために、トランスクリプトーム内の 2 つの遺伝子プール、つまり分化応答遺伝子 (GDR) と共有応答遺伝子 (SRG) を決定しました。 GDR (278 遺伝子) は、2 つの浸出液処理間で発現が大きく異なる遺伝子です (図 1; データセット S2)。反対に、SGR (63 遺伝子) は、ソース植物に関係なく浸出液に対して同様の応答を示します。 GDR、tiDEG、miDEG の重ね合わせにより、SGR のプールが決定されました。この分析により、トマト特異的 GDR (150 遺伝子) とトウモロコシ特異的 GDR (34 遺伝子) と呼ばれる GDR のサブセットを区別することも可能になりました (図 1; データセット S2)。植物特異的 GDR サブセットの遺伝子は同時に 2 つの基準を満たしました。それらは 2 つの浸出液処理で異なる発現を示し (> 1.5 log2FC、padj < 0.05)、GDR になりましたが、その発現も有意に異なっていました (> 1.5 log2FC、padj < 0.05)。 0.05) 浸出液の 1 つだけで処理した場合の 1C 培地と比較して。トマト特異的およびトウモロコシ特異的 GDR と SGR を、上位にランク付けされた上方制御および下方制御される遺伝子について分析しました (表 S4 ～ S6)。植物固有の GDR を確立することは、全体的な分化反応の特定の側面を植物の 1 つに割り当てるのに役立ちました。また、トマトの滲出液が GDR のより大きなシェアを占め、全体的な変化の主な要因であることを考慮すると、分化反応のトウモロコシによる側面の過小報告も防止されました。

278 個の GDR (分化反応) と 63 個の SGR (共有反応) の完全なプールを、KEGG および COG 濃縮および遺伝子ネットワーキングについて分析しました (図 2、3; データセット S3 ～ S4)。最も興味深い発見を以下に示して説明しますが、いくつかのマイナーな経路については SI で説明します。

KEGG 経路と COG カテゴリは、トマトとトウモロコシの根浸出液に対する P482 の共通 (A、B) および分化 (C、D) トランスクリプトーム応答内で大幅に濃縮されました。経路内の個々の遺伝子の場合: 赤と青はそれぞれ遺伝子発現の上方制御と下方制御を示します。左の列はトマト浸出液（文字T）を添加したときの発現の変化（log2FC）を示し、右列はトウモロコシ浸出液（文字M）を添加したときの発現の変化を示します。 KEGG のカテゴリー: a-炭水化物代謝、b-環境情報処理、c-アミノ酸代謝。太字で示されている遺伝子は、濃縮された KEGG 経路および COG 内にリストされています。下線を引いた遺伝子は、KEGG 経路内のカテゴリー間で重複しています。

植物の根滲出液に対する P482 の共通の 63 遺伝子 (A) と分化型トランスクリプトーム応答 (B) の 278 遺伝子の遺伝子ネットワーク。分析は、P. donghuensis HYS のゲノムを参照として STRING を使用して実行され、画像は手動でキュレーションされました。各ノードは、eggNOG で割り当てられた名前を持つ P482 の遺伝子を表します。塗りつぶされたノードは、STRING によって識別される濃縮グループに属する遺伝子をマークします (マップ - KEGG 経路、CL - クラスター、GO - 遺伝子オントロジー、PF、IPR - タンパク質ドメイン)。ネットワークエッジは信頼性を示します。インタラクションは、バージョン 11.5 (2023 年 5 月) の利用可能なすべてのソースに基づいています。最小インタラクションスコア 0.4 (中)。濃縮されたクラスターの一部であることが判明した遺伝子を除き、切断されたノードは無効化されました。各遺伝子は、データセット S5 を使用して遺伝子座指定と照合できます。 STRING インタラクションと強化されたグループの完全なリストは、データセット S4 で提供されます。

GDR はトランスクリプトームの 5.38% を占め、下方制御されたものと上方制御されたものの割合はほぼ均等でした。比較すると、SGR はトランスクリプトームの 1.22% を占め、そのほとんど (76%) が下方制御されていました (図 1)。したがって、P482 内の 2 つの宿主によって異なる影響を受ける遺伝子のプールは約 1 つでした。共有応答の遺伝子プールよりも 4.5 倍大きい。 2 つのビートルート品種の PAO1 についても同じことが観察されました 25。トマトやトウモロコシなどの異なる植物宿主の場合、この影響を浸出液の組成における全体的な種に関連した違いに帰したくなる誘惑にかられます。しかし、同じ植物種であるビートの 2 品種でも同様の傾向が観察されたという事実は、植物由来の化合物の組成における比較的小さな変化が状況を一変させる影響を与える可能性があることを示唆しています。この仮定に沿って、ベンゾオキサジノイドやクマリンなどの化合物は、単独で根関連微生物叢の組成に大きな影響を与えることが示されています 26,27。

両方の浸出液処理により、「硫黄代謝」と「ABCトランスポーター」の重複経路内でP482遺伝子の下方制御が引き起こされました（図2a、表1）。これには、硫酸チオ硫酸パーミアーゼ (SulT) の CysW および CysA コンポーネントをコードする遺伝子が含まれていました。硫酸塩とチオ硫酸塩は、細菌によって利用される硫黄の無機源を表します28。無機硫酸塩またはシステインが存在しない場合、細菌はタウリンを含むアルカンスルホン酸塩を代替硫黄源として使用できます28。 P482 では、両方の滲出液がタウリンおよび他のアルカンスルホン酸塩の輸入に関与する tauBC および ssuBC の発現を下方制御しました。同様の影響が、これらの化合物からの硫黄の放出に関与する ssuD と tauD にも観察されました 29。さらに、STRINGにより、P482における硫黄獲得に関与する可能性がある別の下方制御遺伝子であるsfnRの同定が可能になった（図3a）。 Pseudomonas putida DS1 では、硫化ジメチル (DMS) から硫黄を得るために sfnR が必要であることが判明しました 30。

結果は、両方のタイプの滲出液が硫黄の獲得に関連する複数の遺伝子の発現を減少させることを示しています。 ssu 遺伝子、または ssu 遺伝子と tau 遺伝子の両方の下方制御も、シュードモナス属 8 種のうち 6 種で観察されました。草の根滲出液に曝露された株 Brachypodium distachyon31。 P482 実験用のトウモロコシおよびトマト植物、および他のシュードモナスを用いた実験用の B. distachyon は、硫酸塩 (MgSO4、ZnSO4、CuSO4) を含む Hoagland 培地で生育しました。これは、共生栽培された植物の根滲出液中の硫黄の利用可能性に潜在的に影響を与える可能性があります。一方、どちらの研究でも、シュードモナス属細菌の有機硫黄源となる可能性があるシステインとメチオニンが浸出液から検出されました。

浸出液に対する P482 の一般的な応答には、arsC および arsH の上方制御が含まれます (表 1)。どちらの遺伝子も、非常に有毒な半金属であるヒ素の代謝に関連しています。ヒ素は土壌を含む環境中に遍在しています。したがって、細菌はそれを処理するための異なるメカニズムを開発しました32。 ArsC は、セル 33 から As(III) が流出する前に、5 価のヒ酸 (As(V)) を 3 価のヒ酸 (As(III)) に変換するヒ酸レダクターゼです。 P482 で上方制御される 2 番目の遺伝子、arsH は、三価形態の除草剤メチルヒ酸一ナトリウムや芳香族ヒ素フェニル亜ヒ酸塩などの有機ヒ素に対する特定の微生物の耐性を与えます 33。

環境中のほとんどのメチル化ヒ素種は微生物由来であると考えられています。一部の微生物は、微生物の競合相手に対する武器としてメチル化ヒ素を使用すると報告されています34。植物は微生物とは異なり、ヒ素をメチル化しません35。代わりに、彼らは無機ヒ素をヒ酸塩の形で土壌から取り込み、それらの分子の類似性により、おそらくリン酸輸送体を介して、それが三価の亜ヒ酸に還元されると、根を介して土壌に押し出します36。我々は、P482 における arsC と arsH の上方制御された発現は、トマトとトウモロコシの生育に使用される砂質の基質から根に移入されたヒ酸塩と有機ヒ素によって引き起こされた可能性があると仮説を立てています。

共通の応答内で強化された COG カテゴリの 1 つは、「無機イオンの輸送と代謝 / シグナル伝達機構」でした。この二重機能カテゴリーは、7 つの fecR 様遺伝子によって表されました (表 1)。 FecR タンパク質は、シグナル伝達に関与する膜貫通センサーです。大腸菌では、FecR はシグマ因子 FecI および受容体タンパク質 FecA と協力して、クエン酸第二鉄の取り込みに関与する fecABCDE オペロンの発現を指示します 37。ただし、細菌種は多くの fecR 様遺伝子を保有する可能性があります。緑膿菌のゲノムには、鉄欠乏シグマ因子に隣接して位置する 14 個の fecR 様遺伝子があり、これらは異なる同族鉄担体の存在下で誘導される可能性があります 38。シュードモナドは、自分で作ったシデロフォアを使用する以外に、他の細菌や植物が生成したものを使用することができ、その生産にかかるエネルギーコストを他の生物に転嫁することができます39。この現象は「シデロフォアの著作権侵害」40と呼ばれます。

シュードモナスが利用できる他の鉄源は、ヘムタンパク質から放出されるヘム分子です41。 P482のSGRの中で、最も顕著なダウンレギュレーションを示す遺伝子は、ヘム結合Aファミリータンパク質（-6.8 log2FC）をコードしていました（表S6）。ヘムの取り込みと代謝に関与する他の遺伝子も下方制御されていました。これらには、hasR、hemO、hmuU、hmuV、および hasD が含まれます (表 1)。

私たちの実験では、根滲出液の添加が P482 への鉄の利用可能性にどのような影響を与えるかをさらに検討するために、3 つの遺伝子の発現レベルを調査しました。 BV82_1008 (pvdS) はピオベルジンの合成制御に関与するシグマ因子であり、BV82_4709 は P. donghuensis により特徴的な鉄捕捉および抗菌特性を持つ化合物である 7-ヒドロキシトロポロンの合成に関与します。根の滲出液は、これらの遺伝子のいずれの発現にも影響を与えませんでした (データセット S5)。ピオベルジンの発現も、B. distachyon の根浸出液で増殖した 8 つのシュードモナス株のいずれにおいても上方制御されませんでした 31。後者の研究では、鉄獲得に関連する他の遺伝子の上方制御は、これらの菌株の半分でのみ観察されました。これらには、二クエン酸鉄トランスポーター (SBW25 および 30-84 株)、シデロホアのオルニコルガチン (SBW25) およびピオケリン (Pf-5 株) の生合成、ヘム分解酵素 (2-79、30-84)、および TonB 関連遺伝子が含まれます。 (2-79 および Pf-5)。別の研究では、P. protegens CHA0 におけるヘム獲得とピオベルジン合成に関連する遺伝子の発現は、昆虫の感染時に観察された発現と比較すると、小麦に反応して比較的低かった 42。

鉄獲得のための遺伝子の下方制御とは対照的に、トマトとトウモロコシの両方の根浸出液は、細胞内の鉄恒常性に関与するバクテリオフェリチン遺伝子bfrの発現を有意に上方制御した。 Bfr は鉄の貯蔵に機能し、鉄が遊離型で過剰に存在すると、活性酸素種の生成を通じて細胞に酸化ストレスを引き起こす可能性があります 43。バクテリオフェリチンと Bfr 相互作用タンパク質は、植物と動物の両方の病原体のストレス耐性と毒性に必須であることが示されています 44,45。それらはまた、根に根を張る植物の共生生物においても役割を果たします46。

P482におけるBfrの上方制御は、根滲出液のみがP482および少なくともいくつかの他のシュードモナスにとって鉄制限ではないというもう1つの間接的な前提である。しかし、競合微生物の存在下では、P482 がその鉄除去機構を利用する必要がある可能性が非常に高いです。

両方の浸出液に P482 を曝露すると、tagQ、pppA、および crp のより高い発現が観察されました。緑膿菌では、tagQ と pppA は、VI 型分泌系 (T6SS) の活性化を制御する制御カスケードに関与しており、pppA は T6SS47 の負の制御因子であると考えられています。 3 番目の遺伝子 crp は、サイクリック AMP 受容体様タンパク質をコードします。 T6SS の調節における Crp の役割に関する報告はほとんどなく、Crp が T6SS の正の調節因子であることが示唆されているコレラ菌に関する報告が少なくあります 48。全体として、我々の結果は、根滲出液の存在が単一栽培で栽培された P482 の T6SS に何らかの影響を与えることを示唆しています。ただし、この影響の方向性についてはさらなる研究が必要です。また、T6SS 関連遺伝子の発現は、競合する (微生物) 生物の存在下では異なるであろうと仮定することもできます。 T6SS は細菌が他の原核細胞または真核細胞にタンパク質を注入することを可能にし、細菌間競争におけるその役割で最もよく知られています 49。

トマトで処理した P482 は、一酸化窒素によって引き起こされるストレス (ニトロソ化ストレスとも呼ばれます) の症状を示しました。一酸化窒素は自由に拡散する分子であり、細胞に有毒な影響を及ぼします。ニトロソ化ストレスに対抗するために、細菌は NO を N2O、NO3-、またはアンモニアなどの無害な分子に変換するいくつかの経路を進化させてきました50。 P482 で最も実質的なアップレギュレーションを示す 2 つの遺伝子のうちの 1 つは、フラボヘモグロビン (Hmp) をコードする hmp (BV82_4743) でした。この遺伝子の発現は、トマト浸出液中で生育した P482 では非常に増加しましたが (6.13 log2FC)、トウモロコシでは増加しませんでした。好気的条件下では、Hmp は NO と酸素の反応を触媒して硝酸塩 (NO3-) を生成します51。同様の遺伝子発現変化パターンが、一酸化窒素還元酵素 (NOR) をコードする NorD、norC、および NorB で観察されました。この膜に組み込まれた酵素は、一酸化窒素 (NO) から亜酸化窒素 (N2O) への還元を触媒します52。 Hmp と NOR は、細菌の NO 解毒機構の構成要素として十分に文書化されています。

細菌細胞に作用する NO は、環境に由来する場合もあれば、細胞自体によって生成される場合もあります。 NO は、硝酸塩から亜硝酸塩を経て窒素酸化物に至る段階的還元における既知の中間体です53。脱窒と呼ばれるこのプロセスは、呼吸における電子の最終受容体としての酸素の不足を克服するために、一部のシュードモナス属細菌によって利用可能な酸素が限られた状態で実行されます54。脱窒の第 2 段階で亜硝酸塩から NO を生成するには、ヘム c およびヘム d1 補因子を運ぶペリプラズムのシトクロム cd1 亜硝酸還元酵素である NirS の活性が必要です 55。 P. donghuensis P482 は、nirS のホモログ (BV82_3250) および nir クラスターの他の複数の遺伝子のホモログ (nirCFLGHNBDJM) を所有しています。トマト浸出液で処理した P482 では、NO 解毒遺伝子の上方制御は nir 遺伝子の誘導を伴わなかった。したがって、P482 における NO 解毒経路の活性化の根本的な原因は、スイッチ脱窒ではなく、トマト浸出液に存在する外因性 NO の毒性に対処することです。

NO の有害な影響は、主に鉄硫黄 (Fe-S) クラスターを含むタンパク質の不活性化から生じます 56,57。 Fe-S クラスターは、ほぼすべての生物に存在する酸化還元活性タンパク質補因子であり、多くの基本的な生化学プロセスに必要です 58。トマトで処理した P482 では、Fe-S クラスターの代謝/修復における役割で知られる yftE (6.36 log2FC) の顕著な上方制御が見られました。 ytfE の相同体は多くの細菌に存在し 59、細菌が NO60 に曝露されると、この遺伝子は一貫して上方制御されます。 YftE タンパク質は、ニトロソ化ストレス後の脾臓における偽結核菌の生存に寄与し、このヒト病原体の毒性に寄与することが示されました 57。トマトの浸出液によって発現が有意に誘導された別の遺伝子は、nnrS (BV82_3241) です。 NnrS はヘムおよび銅を含む膜貫通タンパク質であり、鉄-NO 複合体の形成によって引き起こされるストレスを軽減することにより、コレラ菌の NO ストレス耐性に寄与します 61。注目すべきことに、yftE と nnrS は、NOR コード遺伝子と 2 つの制御因子、norR と dnr とともに単一の遺伝子クラスター (BV82_3238 ～ BV82_3246) を形成しています。トマト浸出液によってP482で引き起こされるFe-Sクラスターの歪みは、硫黄クラスター生合成に関連するタンパク質をコードする遺伝子iscR、iscS、iscU、iscA、hscB、hscA、およびfdx（図3b）の上方制御によってさらに確認されます62。

真核生物の宿主は、感染時の防御の一環として一酸化窒素を生成できます63。植物は、生物的および非生物的ストレスや、発芽、発育、開花、老化などの幅広い生理学的プロセスに応答するシグナル分子として NO を使用します64。 NO は反応性が高いため、生体内で NO 貯蔵庫として機能する S-ニトロソチオール (SNO) に貯蔵されます 64。 NO は微生物病原体に対する植物の反応に役割を果たしますが、根粒菌とマメ科植物の間の共生相互作用を確立するためにも重要です 65。 NO は植物と微生物間のコミュニケーションにおいて必須のシグナル伝達分子である可能性があることが示唆されました 64。 P482の場合、トマト浸出液中のニトロソ化ストレスを引き起こす因子の明らかな存在が、in vitroでのP482の増殖速度に悪影響を及ぼさなかったことに注目することが重要です（図S1）。これは、P482 が遭遇した条件にうまく対処できることを意味します。

シュードモナス属は分岐した呼吸鎖を持っています。 5 つの異なるターミナルオキシダーゼが緑膿菌で機能することが知られており、これにより細菌は特定の状況下で最適な電子伝達系を利用できるようになります 54。 P482 では、トウモロコシではなくトマトの浸出液に応答して、cbb3 型シトクロム c オキシダーゼのサブユニットをコードする ccoN、ccoO、ccoQ、および ccoP 遺伝子の下方制御が観察されました。このオキシダーゼは酸素に対する親和性が高く、微好気条件下での細胞の生存に不可欠です66。 cco 遺伝子とは対照的に、シトクロム bd のシアン化物非感受性オキシダーゼ (CIO) をコードする cioA および cioB は上方制御されました。 CIO 経路に切り替えることができる微生物は、シトクロム C オキシダーゼによる呼吸をブロックする高濃度のシアン化水素に耐えることができます 67。 P482 株はシアン化水素を生成する能力があります 68。しかし、トマト浸出液に曝露されたP482では、シアン化水素合成酵素をコードする遺伝子hcnAおよびhcnBが下方制御されており、この株におけるシアン化物非感受性シトクロムbdの上方制御発現は、自己生成する高レベルのシアン化水素の毒性に対抗するために生じていないことを示唆している。。

cio 遺伝子は当初、シアン化水素に対する細菌の耐性と関連していましたが、他の要因がその発現に影響を与える可能性があります。シアン化物非感受性シトクロム bd は、好気条件下での銅制限中に役割を果たし 69、酸化およびニトロソ化ストレスに対する細菌の耐性を与えます 70。さらに、cioA はシュードモナス属による宿主防御の回避にも関与していました。シロイヌナズナとの相互作用中の WCS36571。

我々は、トマト浸出液で処理した P482 におけるシトクロム bd (CIO) への変化は、シトクロム複合体 bc1 および/または一酸化窒素の阻害剤の存在によるものであると仮説を立てています。シトクロム複合体 bc1 は、cbb3 のようなチトクロム c オキシダーゼに電子を渡すのに必要ですが、ユビキノンから直接電子を受け取る CIO には必要ありません 54,72。 bc1 阻害剤の殺菌効果は、結核菌に NO 供与体を同時に添加することによって大幅に強化され、この効果により細菌はチトクロム bd 経路に切り替えることで対抗しようとしました 73。シトクロム bd オキシダーゼは、活性部位からの NO の解離速度が速いため、NO 阻害に対してより耐性があります。

P482 の中間代謝は主にトマトの浸出液によって影響を受けました。 3 つの重複する KEGG 経路、つまり「ピルビン酸代謝」、「プロパン酸代謝」、「バリン、ロイシン、イソロイシン分解」の分化反応が強化されました。これらは、「エネルギー生成と変換」に関連する濃縮されたCOGを持つ遺伝子を共有しています（図2c、d）。

トマト浸出液は、lpdV、bkdB、bkdA2、および pdhA の発現を上方制御しました (表 1)。これらの遺伝子のタンパク質産物は、ピルビン酸、2-オキソグルタル酸、および分岐鎖 2-オキソ酸を代謝する 3 つの多酵素複合体の 1 つである分岐鎖 α-ケトデヒドロゲナーゼ複合体の成分です。これらの複合体の全体的な機能は、アルファ-ケト酸をアシル-CoA と CO2 に変換することです。 α-ケト酸はアミノ酸の酸化的脱アミノ化によって生じることが多く、逆に、α-ケト酸はその合成の前駆体となります74。 bkdA2 および pdhA によってコードされる 2-オキソイソ吉草酸デヒドロゲナーゼは、分岐鎖アミノ酸 (BCAA) であるバリン、ロイシン、イソロイシンの分解に関与する酵素です 75。 P482 では、mmsA と mmsB の同時アップレギュレーションが観察されました。緑膿菌では、mmsAB オペロンがバリンの代謝に関与しており、これらの遺伝子の破壊によりバリン/イソロイシン培地での菌株の長期増殖が引き起こされました 76。一部の細菌では、BCAA の利用可能性に調節機能があり、感染時の増殖や宿主防御の回避などのプロセスに役割を果たしていると考えられます 78。トマト浸出液の存在下で P482 について観察したこととは対照的に、S. typhimurium と E. fredii は両方とも、レタスと間作トウモロコシの浸出液にそれぞれ曝露された場合、異化ではなく BCAA の合成を上方制御しました 79,80。

BCAA とは別に、他の 3 つのアミノ酸の異化作用は、トマト浸出液処理時に P482 で誘導されるようです。これには、フェニルアラニン (遺伝子 phhA、phhB、および phhC)、グリシン (gcvH および gcvP)、およびメチオニン (aceE/mdeB、mdeA) が含まれます (表 1)。

アミノ酸および/または脂肪酸の異化作用の増加に関連するP482の他の代謝変化には、アシル-CoAエステルのα,β-脱水素化を触媒するアシル-CoAデヒドロゲナーゼMmgCおよびIvdの上方制御81、およびイソクエン酸リアーゼをコードするaceAの上方制御が含まれる。後者は、グリオキシル酸シャント (GS) の活性化を意味します。多くの細菌は、アミノ酸または脂肪酸の異化に由来するアセチル CoA が細胞が利用できる炭素とエネルギーの主要な供給源である場合に GS を活性化します 82。古典的なトリカルボン酸サイクル (TCA) は、アセチル CoA が利用可能な唯一の炭素源である場合、CO2 が失われ、オキサロ酢酸をリサイクルできないため、炭素を同化してクエン酸をリサイクルできません。 GS は TCA の二酸化炭素生成ステップをバイパスし、炭素フラックスの一部をイソクエン酸塩にそらします。グリオキシル酸シャントは、酢酸および脂肪酸の代謝における重要な役割とは別に、ストレス防御および病因においてまだ十分に研究されていない役割を果たしている可能性があります。緑膿菌における aceA の発現は、H2O2 誘発酸化ストレス下および鉄制限条件下で上方制御され、細胞間の鉄恒常性と関連しています 72。この代謝経路は、緑膿菌が脂肪酸の異化を好む感染時の増殖と毒性の中心でもあります83。さらに、TCA の分流とアミノ酸利用への移行により、緑膿菌の抗生物質耐性が増加することが示されました 84。興味深いことに、GS はレタス浸出液で増殖させた場合、ヒト病原体サルモネラ菌内で活性化されました 79。

ここでは、初期滲出液の内容を分析しました（詳細はSIで説明）。トウモロコシとトマトの浸出液中のアミノ酸の相対含有量の LC-SRM 分析により、BCAA バリンとロイシンがトマトよりもトウモロコシ浸出液に約 4 倍豊富に含まれており、イソロイシンの含有量は両方のサンプルで等しいことが示されました（表 S7）。。フェニルアラニンとトリプトファンの量は、トウモロコシではトマトよりもそれぞれ 4.5 倍と 2.3 倍多かった。 2 つの浸出液中のメチオニンの量に違いはありませんでした。したがって、トマト浸出液で処理した P482 で異化作用が上方制御されているアミノ酸が、この処理でより豊富に存在するというわけではありません。我々の実験設定では、P482 に対する滲出液補充の影響をグルコースを含む最少培地で評価しました。これにより、グルコースが治療および管理において最も豊富な炭素源となった。同様のアプローチが、異なる Pseudomonas spp.31 に対する B. distachyon 滲出液の影響に関する研究にも適用されました。トマト浸出液を含む培養物では、P482 がトウモロコシを添加したサンプルよりも早くグルコースを使い果たした可能性があります。したがって、収穫の時点で、トマトで処理された細胞はすでにアミノ酸を使用して成長をサポートしていることになります。 1H-NMRを使用したノンターゲット分析により、グルコースはトウモロコシの浸出液に非常に豊富に含まれているが（9947 ng mg-1）、トマトの浸出液には存在しないことが明らかになりました（表S8、図S6、S7）。しかし、滲出液に加えられるグルコースの量が、1C培地中の総グルコース利用可能性にそのような影響を与えるのに十分であるかどうかには疑問が残ります。

我々は、トマト処理P482におけるアミノ酸異化作用への切り替えは、ヒト感染モデルにおける緑膿菌について報告されたのと同様の方法で、ストレス因子に対する細胞の耐性を高めることを目的としていると提案する83,84。 NO の存在は、一部の酵素の活性中心にある Fe-S クラスターに損傷を与え、特定の代謝経路を損なう可能性があります。このような場合、観察されたP482の中間代謝の変化は、特定の炭素源の優先性や滲出液中でのそれらの利用可能性によってではなく、むしろ特定のストレス因子に対して感受性の低い代謝経路の選択によって引き起こされるであろう。植物由来のストレス要因は、種特異的なものである場合もあれば、特定の植物の生理学的状態に関連している場合もあります。この仮説が正確であるためにはさらなる研究が必要です。

トマト浸出液の存在下では、トリプトファン合成酵素 trpA および trpB をコードする遺伝子の発現が大幅に下方制御され、これは P482 によるトリプトファン合成の減少を意味します。トリプトファンはタンパク質を構成する芳香族アミノ酸であり、植物ホルモンのインドール-3-酢酸 (IAA)、キヌレニン、シュードモナスキノロンシグナル (PQS) などのシグナル伝達分子の前駆体にもなりえます 85。反対に、metE の有意な上方制御 (4.73 log2FC) が観察されました。 MetE は 5-メチルテトラヒドロプテロイルトリグルタメートであり、5-メチルテトラヒドロ葉酸からホモシステインへのメチル基の転移を触媒してメチオニンを形成するホモシステイン S-メチルトランスフェラーゼです。メチオニン合成に関連する遺伝子は、ニトロソ化ストレスを模倣した条件下で S-ニトロソグルタチオンで処理した後、大腸菌で上方制御されました。後者の研究では、メチオニン合成経路が破壊された大腸菌変異体は S-ニトロソグルタチオンに対する耐性の低下を示し、外因性メチオニンの添加によりこの効果が無効になる可能性があることが示されました 86。これは、メチオニンが P482 のニトロソ化ストレスに対抗する役割も果たしている可能性があることを示唆しています。

さらに、メチオニン合成は、窒素固定を行う Sinorhizobium meliloti とその植物宿主である Medicago sativa との共生を確立するために不可欠でした 87。トマトの根浸出液の存在下で P482 で観察したこととは反対に、PAO1 ではビートの浸出液に反応してメチオニン合成が減少し 25、レタスの浸出液に反応してネズミチフス菌ではメチオニン合成が減少しました 79。これは、植物関連細菌におけるメチオニン合成の役割が、研究された植物と微生物の系に依存していることを示唆しています。

トマトで処理された P482 でアミノ酸合成と異化がどのように影響を受けるかという文脈では、これらにはそれほど単純ではない原因がある可能性があることにも言及する価値があります。 P. fluorescens では、フェニルアラニン 4-ヒドロキシラーゼ (PAH) がフェニルアラニンの異化作用だけでなく、トリプトファンからの抗酸化物質メラトニンの生合成にも関与しています 88,89。また、植物の二次代謝産物のよく知られた前駆体であるトリプトファン、メチオニン、チロシン、フェニルアラニンが植物の抵抗性の増加に寄与している可能性があることも示されました90。 P482は、フェニルアラニンを分解し、トリプトファンの合成を減らし、メチオニンのレベルのバランスをとることによって、植物の免疫応答として「解釈される」ものに対抗し、影響を与えようとしているのではないかと推測できます。

トウモロコシ浸出液は、RND エクスポーターの 3 つの膜融合タンパク質 (MFP) サブユニット、mexE、BV82_1337、および BV82_1618 の上方制御を引き起こしました。 mexE の発現は特に上方制御されました (4.12 log2FC)。 RND は、排出ポンプの Resistance-Nodulation-Division スーパーファミリーの略です。 RND スーパーファミリーの排出ポンプと Omp タンパク質はタンパク質複合体を形成し、グラム陰性菌が有害な薬物を細胞外に直接輸送できるようにします。他の排出システムの場合のように細胞周囲腔には輸送しません。このため、RND 排出ポンプは多剤耐性の重要な決定因子となっています 91。緑膿菌では、いくつかの排出オペロンが抗生物質に対する細菌の固有の耐性を与え、mexE 含有オペロン mexEF-oprN はキノロン、クロラムフェニコール、およびトリメトプリムに対する耐性を与えます92。しかし、合成抗生物質に対する耐性は、天然の二次代謝産物に対する耐性の副作用にすぎない可能性があります。 smeDEF の発現は、植物が生成するフラボノイドによって引き起こされることが示され、smeE の欠失によるポンプの不活性化により、ステノトロフォモナマルトフィリアがアブラナ植物の根に定着する能力が損なわれることが示されました93。したがって、トウモロコシの浸出液に応答した P482 での mexE の過剰発現が、この植物宿主に特有の特定の二次代謝産物の存在を抑制することに関与していると考えられます。宿主特異的効果と一致するのは、トウモロコシの存在下ですべての RND トランスポーターが誘導されるわけではなく、特定のものだけであるということです。 RND排出ポンプもコードするczcAおよびmdtAの上方制御はトマトによって促進された(表1)。トウモロコシおよび他のイネ科植物は、植物マイクロバイオームの形成において役割が確立されている化合物である、殺生物性ベンゾオキサジノイドを生成および分泌することが知られている 27,94。 RNDトランスポーターが一部の細菌のベンゾオキサジノイドに対する耐性に役割を果たしているかどうかを調査する価値はあると思われる。

両方の浸出液は、P482 の copA および copZ の発現を上方制御しました。しかし、これらの遺伝子の誘導はトウモロコシに反応した場合の方がはるかに高かった(表1)。 CopA は、細胞質シャペロン CopZ によって送達される Cu+ イオンの流出を担う膜貫通型 ATPase です。どちらのタンパク質も、よく特徴付けられている Cu+ 耐性システムの要素です95。銅はすべての生物にとって必須の微量元素です。しかし、それは過剰に有毒である96。 CuSO4 の形の銅は、ホーグランドの植物成長培地の成分であり、この研究ではトマトとトウモロコシの両方を栽培するために使用されています。したがって、銅耐性応答がトマトよりもトウモロコシ浸出液の方がはるかに強いという事実は、銅の利用可能性または毒性のいずれかに影響を与える宿主依存性の要因によって引き起こされる必要があります。 Mavrodi ら 31 は、B. distachyon の滲出液で処理した調査対象のシュードモナス菌 8 匹のうち 5 匹において、銅耐性に関連する 1 つ以上のcop 遺伝子のかなりの上方制御を示しました。トウモロコシと B. distachyon は両方とも単子葉植物の草であり、両方ともそれぞれの実験のために Hoagland's で栽培されました。

P482では、トウモロコシ浸出液が、IV型線毛の構築に関与するタンパク質であるFimVをコードするBV82_2809の上方制御を引き起こした。 IV 型線毛は、接着、特定の種類の運動 (Myxococcus xanthus では社会的滑走、Pseudomonas および Neisseria 種ではけいれん)、バイオフィルムの形成、誘導された組織侵入、およびその他の病因関連事象に関与しています 97。 IV 型線毛は、N2 固定内部寄生菌 Azoarcus sp. による内部寄生性イネの定着に不可欠です。 BH7298株。興味深いことに、ピクピク運動に関与する pilK は、ビートの根の滲出液に反応して緑膿菌でダウンレギュレートされました 25。これは、ビートの根の滲出液が、緑膿菌のトウモロコシ化合物の刺激効果とは対照的に、緑膿菌の線毛形成に対してダウンチューニング効果があることを示唆しています。 P.ドンフエンシス。

トウモロコシの滲出液は、P482 における fliS の発現の増加を引き起こし、水泳に関連する鞭毛の合成の増加を示唆しています。鞭毛は、一部のシュードモナス菌株が宿主に効率的に定着するために不可欠です。 fliS 遺伝子が破壊されたシュードモナス・フルオレッセンス F113 は運動性がなく、アルファルファ 99 の根端への定着に関して野生型 (WT) 株と競合することができませんでした。

トウモロコシで処理した細胞とは異なり、トマト浸出液で処理した P482 では線毛と鞭毛の合成に関連する遺伝子の上方制御は観察されませんでした。まったく逆に、トマト浸出液は遺伝子座 BV82_3459 における鞭毛マスターオペロン flhDC の推定負の制御因子の発現を上方制御しました。鞭毛は細胞に利点をもたらす可能性があるが、その合成はいくつかの欠点にもつながる可能性があることが示されました。特定の鞭毛抗原の認識は、宿主の免疫応答の一部として過敏反応と細胞死を誘発する可能性があります100。鞭毛合成の減少は、植物の免疫を回避する主要なメカニズムと考えられています101。鞭毛生成の代謝トレードオフに関するシュードモナス・プチダ KT2440 に関する研究では、鞭毛を持たない変異株は WT 株よりも誘導期が短く、酸化ストレスに対してより耐性があることが示されました。鞭毛の生成にかかる代謝費用が不足すると、細胞に余剰エネルギー（ATP）が提供され、細胞がストレス耐性などの他の活動に割り当てることができる電力（NADPH）が減少する可能性があることが示唆されています102。したがって、トマト浸出液で処理した P482 では、鞭毛遺伝子の発現が低いことの利点が潜在的な適応性の欠点を上回ると思われます。トマト浸出液はまた、細菌や古細菌の主要な化学受容体として機能するメチル受容走化性シグナル伝達ドメインタンパク質 (MCP) をコードする 2 つの遺伝子を下方制御しました103。

まとめると、トウモロコシの浸出液は P482 の運動関連機能の発現を増加させましたが、トマトの浸出液にはその逆の反応が観察されました。これらの違いが、これら 2 つの宿主の定着における運動性の重要性の変化に関連しているのか、それともむしろ、我々の研究で滲出液のためにサンプリングされたトマトの生理学的状態がこれらの遺伝子の発現を不利なものにしたのかどうかはまだ解明されていない。

植物と微生物の相互作用を理解することは、微生物の潜在力を活用して植物の健康をサポートするための重要な要件です。複雑な自然システムの中でこれらの相互作用を研究することは、依然として技術的に困難です。したがって、選択された相互作用を分離する簡素化されたセットアップは、貴重な洞察を得るのに引き続き役立ちます 31,104。ここで我々は、P. donghuensis P482 の代謝のどの側面が、トマトとトウモロコシという 2 つの異なる植物宿主の根浸出液によって異なる影響を受けるかを特定しました (図 4)。試験された滲出液の組成、したがって P482 に対するそれらの影響は、おそらく、サンプリングされた植物の遺伝子型とその生理学的状態の両方の結果であると考えられます。我々は、分岐鎖アミノ酸の異化作用がグリオキシル酸シャントに切り替わり、一酸化窒素に対する耐性、呼吸鎖の柔軟な使用、メチオニン合成、およびRND型排出ポンプの選択的活性化が、乱雑根の発生における役割の観点から特に注目に値すると結論づけた。定着したシュードモナス属がさまざまな植物宿主に適応し、宿主の生理学的状態の変化にさらされたときにどのように関係を維持するのかを明らかにします。

トマトとトウモロコシの浸出液に対する P. donghuensis P482 の共通の宿主特異的トランスクリプトーム応答。上向きの赤い矢印は経路の上方制御を示し、下向きの青い矢印は下方制御を示します。

マイクロバイオームの構築に関しては、微生物と植物の間の引力に多くの注意が払われています。この傾向に反して、P482 で説明した宿主特異的経路のほとんどはストレス耐性に関連しています。それにもかかわらず、滲出液は P482 の増殖を刺激しましたが、阻害しませんでした。特定のストレス因子に対する一部の微生物の回復力が高くなることで、特にストレス反応が活性化した植物において、植物関連微生物集団の変化が起こる可能性があります。人間の社会的行動と並行して、パートナーの暴言を気にしないことは、その人がそこに留まるかどうかの過小評価要因になる可能性があります。

この研究の生のシーケンスリードは、NCBI シーケンスリードデータベース (PRJNA868728) で入手できます。示差的遺伝子解析ファイルは、NCBI Gene Expression Omnibus (GSE211040) に保管されました。

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原稿の改善と有益な議論に貴重な貢献をしていただいた Steven E. Lindow 教授（カリフォルニア大学バークレー校、カリフォルニア州バークレー校）、R. Czajkowski 准教授（IFB UG & MUG、ポーランド、グダニスク) には、ほぼ最終バージョンへの有益なコメントをいただきました。また、GenBank ファイルからデータを抽出するスクリプトの作成については、Tomasz Krzyżanowski (ポーランド、ワルシャワの IT スペシャリスト) に感謝しています。また、匿名の査読者の皆様のご意見に大変感謝いたします。

この研究は、国立科学センター (ポーランド) のプロジェクト番号 2017/25/B/NZ9/00513 から S. Jafra に資金提供されました。

植物微生物学研究室、大学間バイオテクノロジー学部 UG および MUG、グダニスク大学、ul. A. アブラハマ 58、80-307、グダニスク、ポーランド

ドロタ・M・クシジャノフスカ、マグダレナ・ジャブロンスカ、シルウィア・ジャフラ

グダニスク大学化学部構造生化学研究室 Wita Stwosza 63、80-308、グダニスク、ポーランド

ズビグニフ・カチンスキ & マウゴルザタ・チェルヴィツカ＝パッハ

質量分析研究室、大学間バイオテクノロジー学部 UG および MUG、グダニスク大学、ul. A. アブラハマ 58、80-307、グダニスク、ポーランド

キャサリン・マクール

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DMKは実験作業を調整し、滲出液と植物培養物の収集に参加し、分析のために滲出液を処理し、細菌培養、RNA単離、RT-qPCR、根定着実験、機能強化、および準備されたRNAseqデータのネットワーク分析を実施しました。すべての図と表を作成し、原稿を作成しました。 MJ はノトバイオティクス環境で植物を栽培し、滲出液の収集を手伝いました。 ZKはNMR測定を実施しました。 MCP は GC-MS を実行しました。 KM は LC-SRM によりアミノ酸含有量の分析を実施しました。 SJ はこの研究を発案し、資金を獲得し、プロジェクトを監督および調整し、原稿を改訂しました。著者全員が原稿をレビューしました。

対応者はシルウィア・ジャフラです。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Krzyżanowska, DM、Jabłońska, M.、Kaczyński, Z. 他植物に定着する Pseudomonas donghuensis P482 の宿主適応形質が、トマトとトウモロコシの浸出液に対するトランスクリプトーム応答によって明らかになった。 Sci Rep 13、9445 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36494-6

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受信日: 2023 年 1 月 24 日

受理日: 2023 年 6 月 5 日

公開日: 2023 年 6 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36494-6

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