地钱作为模式植物在植物微生物相互作用进化研究中的应用外文翻译资料

地钱作为模式植物在植物微生物相互作用进化研究中的应用

原文作者 Jorge Poveda 单位 西班牙-葡萄牙农业研究所

摘要：地钱是一种十分常见、易寻找的苔藓植物，在世界各地都有自然分布。由于其在实验室中易于操作，其生命周期具有单倍体阶段，它越来越多地被用作生理、代谢和遗传研究以及进化研究的模型生物。在植物免疫方面，地钱有助于了解不同植物防御途径的起源和进化过程，包括从感知危险到对危险的反应。从这个意义上说，与地钱-微生物-有机体相互作用相关的研究很少;然而，研究小组正在越来越多地阐明这种苔类植物是如何与有益微生物和病原微生物相互作用的，报告了在理解这些有益或有害的相互作用的代谢和进化过程方面的重要结果。本文的工作将重点揭示地钱作为模型植物在理解植物-微生物相互作用的进化机制方面的潜在应用。

关键词：地钱； 苔类； 模式植物；植物免疫；植物-微生物交互

1. 地钱

地钱是温带地区分布最广的常见苔类植物。它的名字来源于肝脏叶状的形状。虽然这种植物在研究其对各种环境因子的形态和生理反应方面已有200多年的历史，但在21世纪，它开始被新的研究认为是一种模式植物[1,2]。这是因为它的生命周期短(从孢子到成熟叶状体的3-4周)，易于繁殖和杂交，转化频率高，单倍体和小的基因组大小(约280Mb)，使其在水生和开花植物的进化研究中非常重要。在染色体数目方面，地钱n = 9，包括雄性和雌性染色体[1,3]。所有这些特征使得在早期分化的陆生植物的进化研究中建立一个模型植物是必要的，因为在实验室中需要一个易于使用的工具，可以快速验证不同需要解决的问题。

公元前300年，古希腊的提奥弗拉斯都(Theophrastus)首次描述了这种苔类植物，当时它被描述为地衣。直到四世纪，《Vienna Dioscorides [4]》才首次将地钱描述为一种苔类植物。在分类学上，地钱属地钱亚纲，400种地钱中绝大多数都属于地钱亚纲，苔纲，苔藓植物门[1]

地钱的生活史是以多细胞、单倍体配子体世代与多细胞二倍体、孢子体世代交替为基础的。所谓的“孢芽杯”以无性繁殖的方式在叶状体(植物的主体)上形成大量的多细胞胚芽。作为一种雌雄异株的物种，地钱在不同的叶状体中分别产生雌性(颈卵器)和雄性(精子器)性器官。两个叶状体之间进行有性生殖后，受精卵发育成孢子体，孢子体经过连续的减数分裂，释放大量孢子。地钱叶状体是一种植物组织，直径可达15mm，厚度0.6 mm，通过两端的二分分裂进行径向生长。该叶状体具有明显的背腹分化、上同化区、中贮藏区和根茎形成的基部区[1,2]。

目前，由于其基因转化和单倍体基因组的方便性，其作为模型植物的使用迅速发展。在这个意义上，第一个成功的转化方法是通过轰击未成熟叶体的生物弹道学。在21世纪的头十年中，有许多转化子，包括潮霉素磷酸转移酶基因(hpt)[5]和氨基糖苷- 3“-腺苷转移酶基因(aadA)[6]。利用地钱验证了多态疟原虫的成功遗传转化。以根癌农杆菌为载体。尽管有一些例子农杆菌介导成熟叶体转化的成功[7]，但只有孢子[8]才能达到高转化效率。因此，在2013年，Tsuboyana和Kodama开发了一种简化的农杆菌介导的孢子转化方法，称为琼脂诱捕器(琼脂利用灌液转化)，其转化效率高(约15%)。该方法分别在M51C和LB琼脂培养基上培养孢子和根瘤菌，在M51C培养基上接种孢子，对地钱进行洗涤，在M51C[9]培养基上选择转基因菌体。此外，基于CRISPR/ cas9的地钱基因组编辑技术最近也取得了很大的成功。然而，它的基因组编辑效率非常低，低于0.5%[10]。尽管已经开发出来的技术转换，如农杆菌菌体的直接转换方法最初由Ishizaki等人在2008年[11],他重要的成功的例子,如前列腺素的高效生产[12]和琼脂陷阱法用于报告佛罗里达州-蓖麻毒素A,已报道[13]。

近年来，用地钱进行需要适应的现有工具转换的分子研究不断增加[14]以及其他方面,参考基因的识别等实时定量PCR实验[15],表观遗传研究[16],原生质体文化[17],或研究microRNAs[18-20]。

2.在植物进化中的模型植物

这种陆生植物起源于原始的轮藻。为了实现陆地上的殖民，轮藻必须适应干旱和紫外线辐射。第一个陆生植物谱系，称为苔藓植物，就是从这个共同的祖先进化而来的，同时发现了苔类最古老的化石，它们比其他现存的谱系保留了更大的一套祖先特征[1,21]。

基因组比较表明，陆生植物基因组的特征是编码与抗性(SA、萜类)、耐受性(角质、木质素)和受体样激酶相关的新生化途径的基因。另一方面，一些相同的蛋白质必须获得新的功能，如生长素为陆生植物形态多样化奠定基础，JA与其他陆生生物建立共生作用[21,22]。从这个意义上说，有必要选择一种典型的苔类植物来研究陆生植物进化过程中的基本事件，而地钱是最简单的苔类植物谱系[23]的基础。

在耐旱性方面，大量的研究已经开展，以研究ABA在这一进化过程中的作用。通过这种方式，进化保守的ABA诱导的基因表达模式[24,25]、随之而来的细胞内结构[26]的重排以及进化保守的ABA信号通路如何调节休眠被确定为[27]。此外，由于地钱，激活类黄酮产生在响应非生物胁迫中的关键作用已被证明是陆生植物[28]的古老特征，并且可能对UVB的耐受性很重要[29,30]。在这些耐受新环境和代谢适应的过程中，研究自噬的进化过程可以为植物免疫[31]的进化史提供更多的信息和见解。

3.地钱的植物免疫

从进化的角度来看，从水生植物到陆生植物的过渡导致了一个非常强大的和特异性的免疫系统的发展，因为，反过来，新的培养基质依赖于有益的植物-微生物-有机生物的相互作用。从这个意义上说，可以推测到陆生植物是如何回到它们祖先的水生生物的核酸结合寡聚化结构域样受体(NLRs)，并有一个减少的效应触发免疫(ETI)系统。因此，一个最小的植物免疫系统需要在水下生活，尤其额外成分需要陆地植物[32]的生活。

与此相关的是，核苷酸结合位点富亮氨酸重复序列(NBS-LRR)基因包括最大的植物抗病基因(R基因)家族。2019年，Shao等人指出，NBS- LRR基因起源于整个绿色谱系的共同祖先，并在绿藻分裂之前迅速分化为三个具有不同域组合的亚类。在地钱中，水解酶-NBS-LRR (HNL)基因可能包含在Toll/白细胞介素-1- NBS-LRR (TNL)分支[33]中。

植物会合成专门的代谢产物来防御伤害。在地钱中，已经被观察到了伤人诱导木犀草素、芹菜素和异黄花素C的生物合成，这些物质都是通过苯丙素途径合成的。在这个过程中，主要的酶是苯丙氨酸解氨酶(PAL)，这也是水杨酸(SA)的主要生物合成路线。由于这些次生代谢产物具有抗菌活性，因此在陆生植物中，伤致抗菌化合物的产生很可能是一种保守的防御系统。因为苔类代表现存陆生植物最基本的世系，胁迫诱导的特化代谢物产生可能是保护早期陆生植物免受环境胁迫[34]的关键机制。

茉莉酸(JA)是目前研究最多的防御激素。在生物合成水平上，2009年Kanamoto等人通过分光光度法和质谱法检测到地钱中花生四烯酸5-脂氧合酶(5-LOX)，发现地钱利用花生四烯酸级联反应防御信号应答[35]。2017年，Tawfik等发现地钱通过花生四烯酸和alpha;-亚麻酸与LOX7[36]氧化形成绿叶挥发物(GLVs)正己醛和(Z)-3-己烯醛。在这些结果中，LOX是第一个参与JA生物合成的酶。在其合成的下游，12-氧基植物二烯酸(OPDA)是一种由氧化丙二烯环化酶(AOC)作用产生的中间体。Yamamoto等2015年研究发现，地钱与开花植物具有相似的AOC活性，且该酶也定位于叶绿体，其过表达增加了苔类植物内源OPDA水平，抑制了生长。因此，OPDA作为一种信号分子，调控苔藓植物的生长和对伤害的反应。然而，在本研究[37]中未发现地钱中的JA。2018年，Chini等人基于JA生物合成[38]需要还原OPDA，证明了OPDA还原酶3 (OPR3)的作用对于脂源性植物激素茉莉醇-异亮氨酸(JA- ile)的合成至关重要。

JA-Ile调节维管植物的防御、生长和发育反应，但苔藓植物缺乏JA-Ile。2018年Monte等人证明，尽管经过了4.5亿年的独立进化，但苔藓植物地钱和拟南芥的JA-Ile受体COI1在功能上是保守的，但它们对不同的配体做出反应。地钱有两个同分异构体的JA-Ile前体dnOPDA (dinor-cis-OPDA和dinor- isoo - opda)作为COI1的配体。这些作者鉴定了古老的具有生物活性的茉莉酸酯，并阐明了其生物合成途径，证明了其信号通路的功能保守性，表明维管植物中JA-Ile和COI1的出现需要激素生物合成复杂性和受体特异性[39]的共同进化。此外，Monte等在2019年表明，地钱JAZ蛋白抑制茉莉酸类生物合成、衰老和植物防御，并促进苔类细胞生长和生殖健康，这些功能之前在拟南芥[40]中已经证明。此外，Penuelas等在2019年证实，在地钱中，JA相关的MYC转录因子在功能上是保守的，与拟南芥一样，是从轮藻[41]中存在的MYC功能进化而来的

4. 地钱-微生物的相互作用

目前，进化分子植物-微生物相互作用(EvoMPMI)是一个新的科学领域，它是早期分化陆生植物致病模型系统稀缺的基础。从这个意义上说，虽然目前尚未发现地钱的病原菌，但它是最早分化的陆生植物谱系之一。Gimenez-Ibanez等在2019年的研究表明，半生物营养致病菌丁香假单胞菌(Pseudomonas丁香)是番茄细菌性斑点病的病原，它在地钱上定居并有激活植物先天免疫的典型特征。此外，他们证明古代植物激素防御网络控制地钱。紫丁香的相互作用以及现存被子植物免疫系统的基本结构在早期分化的陆生植物[42]中是进化古老而保守的。

在此模型中对EvoMPMI的研究由于已知感染地钱的病原菌数量较少而受到阻碍。2019年，Matsui等人描述了从患病的地钱中分离的四种病原真菌菌株:Irpex lacteus、Phaeophlebiopsis peniophoroides和Bjerkandera adusta。此外，这些作者证明，SA治疗地钱可能采取促进乳杆菌感染坏死的方式，而与地钱中具有生物活性的茉莉酸酯(dn-cis-OPDA)联合治疗可抑制这种作用。这表明，在植物-真菌相互作用过程中，SA和oxylipin通路之间的拮抗作用由来已久，并且已经在苔类[43]中建立。

对于卵菌，Carella等在2019年定义了地钱对棕榈疫霉菌感染的转录和蛋白质组学响应。在这个意义上，直接宏观进化的比较了地钱和模型烟草被子植物的宿主感染反应，进一步揭示了一套共享的同源微生物应答基因，包括苯丙素代谢途径的成员。与野生型植物相比，激活苯丙素(黄酮)生物合成的Myb转录因子Mpmyb14突变体表现出更强的疾病易感性。这一发现表明祖先的病原体威慑策略集中在苯丙素介导的生化防御

有大量不同种类的防御化合物被描述为地钱对不同病原体的防御能力和有效性的标志。. 例如，甲醇和氯仿提取物对细菌病原体黄单胞菌有效，米曲霉和真菌、镰刀菌、菌核菌和立枯丝核菌[45]。此外，甲醇和黄酮提取物对植物病原番茄早疫病病菌、尖孢镰刀菌和番茄枯萎病菌[46]均有较好的防治效果。从这个意义上说，研究最多的化合物是联苄类，如地黄素A，对钙乙酸不动杆菌、粪碱性杆菌、蜡样芽孢杆菌、巨型芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、新隐球菌、阴沟肠杆菌、大肠杆菌、奇异变形杆菌、铜绿假单胞菌、鼠伤寒沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等具有抑菌活性;对白色念珠菌、稻瘟病菌、赤链格孢菌、烟曲霉、黑曲霉、小孢霉、温青霉菌、番茄核丝菌、酿酒酵母、雪氏芽孢菌、须疮菌和红色赤霉[47]的抑菌活性;或抗恶性疟原虫、罗得西亚锥虫、克氏锥虫和多诺瓦利什曼原虫[48]的原生动物活性。

与此相关的是，地钱对黄曲霉、黑曲霉、白色念珠菌、毛癣菌和大肠杆菌、奇特变形杆菌、金黄色葡萄球菌[49]、蜡样芽孢杆菌、痢疾志贺菌[50]、肠炎沙门氏菌和多西氏巴斯德[45]等人类致病菌具有有效的拮抗作用。此外，还发现了对人体健康有益的重要化合物，包括黄酮类化合物、抗氧化剂和乙酰胆碱酯酶抑制化合物[51]。另一种化合物，地钱素，是一种癌症抑制剂，使用地钱素A治疗乳腺癌[52]，使用地钱素 C治疗人脑胶质瘤[53]，或使用地钱素 M治疗前列腺癌[54]效果显著。

地钱对高等植物各种病原菌的防御能力已被证实，包括植物病原真菌丹毒（Erysiphe trifoliorum）在接种到叶片表面后的分生孢子和芽管被破坏，而在胚乳中没有破坏[55]. 在植物苗圃和温室栽培中常见的植虫类害虫，如土蠹蛾双翅目幼虫，未发现有效的控制地钱的方法[56]。

至于地钱与不同微生物之间有益或至少有效的相互作用，Alcaraz等在2018年通过对16S rRNA基因的大规模测序描述了其微生物组。这些作者比较了野生地钱和粗裂地钱的微生物群与其土壤基质的关系，以及野生植物同一种群的芽胚建立的离体植物的微生物群。在本地种和体外种中发现的地草属有甲基杆菌属、根瘤菌属、类芽孢杆菌属、溶菌属、倍雷鲁拉属、甾体杆菌属。这些属与促进植物生长的细菌、复合渗出物降解菌、固氮菌、甲基营养菌和疾病抑制菌[57]相对应。因此，在研究植物与微生物之间的长期关系、微生物群对植物发育的跨代贡献及其对环境变化的响应方面，地钱是一个很有前途的模型。根据这些结果，从多形芽孢杆菌的成熟孢芽杯中分离出了甲杆菌属细菌，该细菌能分泌细胞分裂素，促进苔类植物[58]的生长。

关于有益真菌，另一种苔类植物M.folic

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