Abstract
Biotiska och abiotiska faktorer orsakar enorma skördeförluster och ekonomiska förluster. Endofyter kan dock spela en viktig roll för att öka växternas tolerans. Endofyter koloniserar systematiskt olika delar av värden, men växter använder en mängd olika försvarsmekanismer mot mikrobiell infektion. De måste dock överleva oxidativa miljöer, och endofyter som Enterobacter sp. kodar för superoxiddismutas, katalas och hydroperoxidreduktas för att klara av den oxidativa stressen under kolonisationen. Andra producerar tvärtom subtilomycin som binder till flagellerna för att påverka det flg22-inducerade växtförsvaret. Endofyternas beteende kan påverkas av olika gener i hydrolasaktiviteten när de kommer i kontakt med värdväxten. Endofyternas livsstil påverkas av miljöfaktorer, värdväxten och mikrobiella genotyper samt en obalans i näringsutbytet mellan mikroben och värdväxten. Induktion av PiAMT1 i rotendofyten Piriformospora indica indikerar till exempel utarmning av kväve som fungerar som en utlösande faktor för aktivering av det saprotrofa programmet. Mikrober ökar sjukdomsresistensen genom inducerad systemisk resistens (ISR), och Bacillus cereus utlöser ISR mot Botrytis cinerea genom en ackumulering av PR1-proteinet och aktiverar MAPK-signalering och WRKY53-genuttryck genom JA/ET-signalvägen. På samma sätt producerar Trichoderma arundinaceum trichodien som påverkar Botrytis cinerea genom induktion av försvarsrelaterade gener som kodar för salicylsyra (SA) och jasmonat (JA). Sammantaget kan endofyter spela en viktig roll i sjukdomsbekämpningen.
1. Introduktion
Grödor koloniseras av komplexa mikrobiella samhällen , och vissa av dem är skadliga och orsakar sjukdomar, medan andra främjar växttillväxten och förbättrar näringsupptagningen och toleransen mot biotisk och abiotisk stress via en mängd olika mekanismer . De svampar eller bakterier som växer i växtvävnaden utan att skada värden kallas endofyter. De är associerade med majoriteten av de växtarter som finns i naturliga och förvaltade ekosystem. Endofyter anses vara viktiga växtpartner som spelar en viktig roll när det gäller att förbättra värdväxtens stresstolerans jämfört med dem som saknar en sådan symbios. De flesta endofyter finns utan någon känd effekt, men många bakterier och svampar etablerar ett mutualistiskt eller patogent samband med värdväxten. Oftast beror resultatet av interaktionerna på miljöfaktorer och genotypen hos både värdväxten och den interagerande mikroorganismen.
Växter kan känna av mikrober genom att uppfatta mikrobiella/patogenassocierade molekylära mönster (MAMPs/PAMPs) med hjälp av mönsterigenkänningsreceptorer (PRRs). PRRs är klasser av igenkänningsproteiner på cellytan som är involverade i den initiala signalering som utlöser det firsta lagret av växters medfödda immunitet. Flagellinprotein (flg22) och förlängningsfaktor Tu (EU-Tu) är de två mest välkaraktäriserade MAMPs/PAMPs . I allmänhet stängs de flesta av de vägar som miRNAs riktar in sig på för växternas försvarssystem av under etableringen av symbiosen, vilket annars skulle ha hindrat endofyternas spridning .
Endofyter finns i alla växtarter oavsett var de har sitt ursprung. Förmågan att ta sig in och trivas i värdvävnaden gör dem unika och visar multidimensionella interaktioner inom värdväxten. Flera värdaktiviteter är kända för att vara influenserade av närvaron av endofyter. De kan främja växttillväxten, framkalla försvarsreaktioner mot patogenangrepp och fungera som botemedel mot abiotisk stress . Totalt sett går fossila uppgifter om endofyter tillbaka till mer än 400 miljoner år, vilket innebär att dessa mikroorganismer är inblandade i värdväxters anpassning till habitatövergångar .
2. Koloniseringsmekanism
Mikrober, oavsett om de är nyttiga eller växtpatogener, har liknande potentialer som rhizosfärkompetens, motilitet för att nå värdväxten, mekanismer för att ta sig in i och sprida sig i växten och förmågan att övervinna växternas immunitet . Framgångsrik kolonisering av endofyter påverkas av olika faktorer, bland annat växtvävnadstypen, växtgenotypen, den mikrobiella taxon- och stamtypen samt biotiska och abiotiska miljöförhållanden . På samma sätt påverkar tillväxtmedium, växtålder och växtart, inokulumtäthet och svamparter samt konidietillförselhastigheten den endofytiska kolonisationen . Bamisile et al. rapporterade att fröplantans ålder påverkar B. bassiana och M. anisopliae framgångsrik kolonisering i citrusplantor. Mikroberna kan kolonisera växter systematiskt från rötter till skott, skott till blommor eller frukter och/eller från blommor till frukter och frön, och de kan också orsaka lokaliserad kolonisering inuti/utanför växtorganen . Kolonisering av oliv (Olea europaea L.) genom rothår med Pseudomonas fluorescens PICF7 och P. putida PICP2 gör det möjligt för växten att motstå den jordburna svamppatogenen Verticillium dahliae Kleb . I bär rapporteras däremot att vissa Firmicutes och Bacillus spp. koloniserar cellväggarna i fröendospermen och återfinns konsekvent inuti blomägg samt i fruktköttet och inuti fröna . Därmed är koloniseringen av endofyter organ- och vävnadsspecifik på grund av selektivt tryck. Denna vävnadsspecificitet i koloniseringen leder till vävnadsspecifikt skydd mot sjukdomar .
Plantor använder en mängd olika försvarsmekanismer mot mikrobiell infektion, och värdväxtens reaktion skiljer sig drastiskt från koloniseringen av endofyter och en patogen. Före kolonisationen måste mikroberna överleva de oxidativa miljöerna i värdväxten. Enterobacter sp. kodar till exempel för superoxiddismutas, katalaser och hydroperoxidreduktas för att klara den oxidativa stressen under koloniseringen av poppel (Populus trichocarpa×deltoides cv. H11-11) . Chen et al. rapporterade att rissköld Xanthomonas oryzae pv. oryzae PXO99 framkallade en mycket starkare försvarsreaktion än endofyten Azoarcus olearius i risplantor. Överraskande nog aktiveras differentiellt uttryckta gener (DEG) relaterade till jasmonatsignalvägen (JA) ständigt av nyttiga endofyter i motsats till salicylatvägen (SA) som endast aktiveras i risrötter av infekterade plantor av patogenen, vilket tyder på att JA är inblandat i kontrollen av Azoarcus endofyts täthet i rötterna. I Arabidopsis thaliana producerar endofytbakterien Bacillus subtilis BSn5 subtilomycin som påverkar det flg22-inducerade växtförsvaret genom att binda till flagellin och i slutändan ökar dess förmåga att kolonisera växtens endosfär .
Endofytisk stam Serratia plymuthica G3 och QS-gener kontrollerar viktiga kolonisationsrelaterade egenskaper såsom simmotilitet och biofilmsbildning. Likaså används gener för superoxiddismutaser, putativa katalaser, peroxidaser och reduktas av diazotrofa Klebsiella pneumoniae (Kp) 342 för att skydda sina celler mot ROS från växter . I sockerrör är däremot shr5-genen differentiellt uttryckt i samband med koloniseringen av nyttiga och icke-nyttiga mikrober. Denna gen kodar för ett protein som är involverat i växtens signaltransduktion under etableringen av växtens endofytinteraktioner. Nedreglering av shr5 skedde uteslutande vid inokulering med nyttiga bakterier som Gluconacetobacter diazotrophicus . Enligt Kandel et al. uttryckte en endofytisk bakterie Gluconacetobacter diazotrophicus under de tidiga stadierna av koloniseringen av risrötter också ROS-deaktiverande gener som superoxiddismutas (SOD) och glutationreduktas (GR) i större mängder. På samma sätt spelar endoglukanas en viktig roll vid endofytisk kolonisation. En eglA-mutant misslyckades med att effektivt invadera växtcellerna och systematiskt kolonisera växten, till skillnad från vildtypstammen. Azoarcus sp. endoglukanas är en viktig bestämningsfaktor för framgångsrik endofytisk kolonisering av risrötter .
3. Endofytiskt beteende
De flesta växtpatogener bär på gener som kodar för växtcellväggsnedbrytande enzymer. Icke-fytopatogener kan dock besitta andra glykosidhydrolaser än cellulas/hemicellulas (eller hydrolaser som bryter ned cellväggen). Förekomsten av detta enzym i många endofyter stämmer överens med dess möjliga roll i den mångfald av sockerutnyttjande som kan vara en användbar komponent i en kompetent endofyt . Enligt Taghavi et al. kodar inte genomet hos Enterobacter sp. för proteiner som är involverade i cellulosnedbrytning, vilket stämmer överens med dess icke-patogena beteende under interaktionen mellan endofyten och poppelträdet. Det endofytiska beteendet kan påverkas av olika gener som visat sig vara bevarade, däribland olika transkriptionsregulatorer. Till exempel är närvaron av proteinet från LrgB-familjen främst involverad i kontrollen av hydrolasaktiviteten vars mest sannolika funktion inträffar när endofyter kommer i kontakt med växtvärdar vid tiden för växtinfektion .
Proteinsekretion spelar en viktig roll för att definiera interaktioner mellan växter och mikrober. Transporten av effektorproteiner spelar en viktig roll i bakteriernas parasitära livsstil genom att undertrycka värdens försvar, medan de effektorutlösta immunreaktionerna stimuleras av värden när den känner igen effektorproteinerna. Särskilt viktiga i detta sammanhang är T3SS och T4SS (figur 1). Gener för T3SS saknas däremot till stor del eller är ofullständiga i arvsmassan hos mutualistiska endofyter. De kan betraktas som avväpnade patogener som förlorat sina funktionella T3SS och som utvecklats till en endofytisk livsstil. Till exempel visade T3SS-mutanter av Salmonella enterica ökad endofytisk kolonisation i Medicago truncatula. Generellt sett finns sekretionssystem av typ I och typ II i flera bakteriella endofyter , men sekretionssystem av typ III och typ IV finns främst i patogena bakterier och är oftast frånvarande i endofyter .
Plantreceptorn FLS2 känner igen bakteriernas flagellin och initierar växtens försvar. Det har rapporterats att erkännandet av P. syringae flagellin i Arabidopsis och Nicotiana benthamiana utlöste stomatestängning och aktivering av MAP-kinas . Detta leder till transkriptionell induktion av patogenresponsiva gener, produktion av reaktiva syrearter och avlagring av kallos för att förstärka cellväggen och förhindra mikrobiell tillväxt vid infektionsställena. Flagellin från den ömsesidiga endofyten Paraburkholderia phytofirmans PsJN utlöste dock en svag och övergående försvarsreaktion med en oxidativ explosion, men i lägre utsträckning jämfört med patogena interaktioner . I linje med detta hjälper nedregleringen av flagellbiosyntesen och uppregleringen av funktioner relaterade till flagellmotorrotationen endofyter att dölja sina flagellin-PAMPs och förflytta sig snabbare i växtmiljön, medan nedregleringen av förlängningsfaktorn EF-Tu gjorde det möjligt för endofytiska bakterier att kolonisera ris .
LPS är också kända för att framkalla olika värdresponser för patogener och icke patogena endofyter. LPS från den växtnyttiga stammen av P. phytofirmans PsJN kan nedreglera försvarsgener, såsom försvarsliknande PR1, superoxiddismutas och COP9-signalosomkomplexet i potatisblad, vilket tyder på att växter kan identifiera LPS som härstammar från icke-patogena endofyter . Gener som antas vara involverade i antibiotikaresistens (evgS och evgA), redoxrespons (regB och regA), kväveoxering och -metabolism (ntrY och ntrX) och kontroll av cellöde (pleC och pleD) finns i högre grad bland endofyter än bland fytopatogener .
4. Byte av livsstil hos svampar
Svampar använder olika överlevnadsstrategier och livsstilsmönster efter att ha tagit sig in i växtsystemet för att umgås intimt med växterna. Endofyter gynnas av värdväxter genom att få organiska näringsämnen, skyddande sköldar och garanterad överföring till nästa värdgeneration; tvärtom är infekterade värdväxter mer vitala, stressresistenta och giftiga för herbivorer, nematoder och patogener . Svampens endofyter har ett brett värdområde, och de kan välja en av många strategier för att komma in i värdets interna system, t.ex. produktion av giftiga metaboliter, modifiering av växtutlösare och undertryckande av växtens immunsystem . Värdpreferens är en viktig parameter för både parasitära och symbiotiska växtsvampinteraktioner , och den har sitt ursprung i den nära anpassningen mellan värdväxten och dess svamppartner genom samvaro och samevolution, vilket slutligen leder till ett starkare partnerskap och är permanent inpräglat i båda parters genetiska konstitution.
Värds- och mikrobgenotyper är de viktigaste faktorerna som är ansvariga för uttrycket av en viss livsstil. Interaktionen kan betraktas som en flexibel interaktion, vars riktning i viss mån bestäms av små skillnader i svampens genuttryck som svar på värden och även av värdets erkännande av och svar på svampen. Flera studier som undersöker förhållandet mellan värdgenotypen och det symbiotiska livsstilsuttrycket har visat att enskilda isolat av vissa svamparter kan uttrycka antingen parasitära eller mutualistiska livsstilar beroende på deras värdgenotyp . Den genetiska och biokemiska grunden för en svamps livsstilsförändring från endofytisk till parasitär karaktäriseras av en obalans i näringsutbytet mellan växten och svampen. Enligt Rai och Agarkar leder UV-mutagenes av ett virulent isolat (CmL2.5) av C. magna till att värdväxtens förmåga att motstå sjukdomar och torka ökar. På samma sätt ändrar den asymptomatiska endofyten Diplodia mutila sin livsstil till patogen. Alvarez-Loayza et al. rapporterade att starkt ljus utlöser endofytpatogenitet, medan svagt ljus stöder endosymbiotisk utveckling. Patogeniteten under starkt ljus resulterade i ljusinducerad produktion av H2O2 av svampen, vilket utlöste överkänslighet, celldöd och vävnadsnekros. Deras studie visade att endofyter reagerar på abiotiska faktorer för att påverka växtsvampinteraktioner i naturliga ekosystem, och ljuset identifierades som den påverkande faktorn. I allmänhet kan förändring av livsstil från endofyt till patogen eller vice versa när den koloniserar sin värd bero på att en balanserad kommunikation med värdfaktorn störs .
Rotendofyten Piriformospora indica kräver tillhandahållande av en adekvat källa av kväve för att inducera ett lågt uttryck av P. indica hög affinitet ammoniumtransportör under värdkolonisation . Tvärtom indikerar induktionen av PiAMT1 en utarmning av kväve, vilket är en utlösande faktor för in planta-uttryck av svampgener som kodar för hydrolytiska enzymer för aktivering av det saprotrofa programmet. Tystnad av PiAMT1 resulterar i minskat uttryck av svampens xylanas och värdets försvarssvar. Därför behövs PiAmt1:s uttryck och en signalfunktion för att P. indicas livsstil ska kunna övergå till saprotrofi. Störningen av kommunikationen mellan Pinus sylvestris och Neurospora crassa spelar en roll för att ändra livsstilen från endofytisk till patogen . Störningar av komponenter i Nox-komplexet (NoxA, NoxR och RacA) eller stressaktiverat MAP-kinas (SakA) leder till att detta fint balanserade samarbete bryts, vilket resulterar i patogen infektion i stället för mutualism. I sakA-mutantens förening observerades en dramatisk uppreglering av svampens hydrolaser och transportörer, förändringar som överensstämmer med en övergång från begränsad symbiotisk till proliferativ patogen tillväxt . Ibland varierar en mikrob sitt samarbete med olika värdar. Tidsmässig induktion av gener, kolhydrataktiva enzymer (CAZymes) och nekrosinducerande effektorer spelar en viktig roll vid infektion och kolonisering av värddjur. Fusarium virguliforme-effektorer och CAZymes uttrycks i tidsmässigt distinkta vågor omedelbart efter infektionen i den sojabönsinfekterade roten jämfört med majs. Dessutom kan uppregleringen av Zn(II)-Cys6-gener under den tidiga koloniseringen av sojabönor spela en roll för att öka patogeniteten hos F. virguliforme på sojabönor .
5. Induktion av motståndskraft mot växtsjukdomar
Endofytmikrobiom är känt för att i hög grad påverka värdens prestanda, särskilt under stressade förhållanden, och för att förmedla växtmikroekosystemets funktion genom att kritiskt förändra växtens svar på miljöförändringar . Endofyter måste konkurrera med växtceller om Fe-tillgången, och därför är produktionen av sideroforer mycket viktig för endofyttillväxten genom att öka tillgängligheten till mineraler utöver järnkelation och även involverad i undertryckandet av patogener genom att stimulera biosyntesen av andra antimikrobiella föreningar . Omfattande multiplikation och kolonisering av växtvävnader med endofyter resulterar i en ”barriäreffekt”, där de befintliga endofyterna konkurrerar med de patogena mikroorganismerna och hindrar dem från att få fotfäste. På samma sätt spelar endofyter en viktig roll för att upprätthålla växternas hälsa genom antibios eller inducerad systemisk resistens, eftersom de kan skydda eller förbereda växten mot biotiska påfrestningar och bidra till att öka tillväxten och avkastningen .
Mikrober ökar sjukdomsresistensen genom mekanismen inducerad systematisk resistens (ISR) och systemisk förvärvad resistens (SAR) . Mikrober- eller patogenassocierade molekylära mönster (MAMP/PAMP) är viktiga strukturer som är bevarade och nödvändiga för mikrobiell överlevnad, men växter har utvecklat flera familjer av receptorproteiner för att känna igen dem och inducera växternas immunsystem (figur 2). Mönsterigenkänningsreceptorer (PRR) har utvecklats för att känna igen vanliga mikrobiella föreningar, t.ex. bakterieflagellin eller svampkitin, som kallas patogen- eller mikrobassocierade molekylära mönster (PAMPs eller MAMPs). Mönsterigenkännandet omvandlas till en första försvarslinje som kallas PAMP-triggered immunity (PTI), som håller de mest potentiella inkräktarna under kontroll .
Behandling av tomat- och bomullsfrö med Beauveria bassiana inducerade skydd mot Pythium myriotylum och Rhizoctonia solani . På samma sätt är Beauveria bassiana känd för att framkalla resistens hos Citrus limon-plantor mot skadeinsekten Diaphorina citri . Den endofytiska svampen Lecanicillium longisporum undertrycker mjöldagg och bladlöss i gurkplantor . Endofyten Bacillus cereus utlöser ISR mot Botrytis cinerea på Arabidopsis thaliana genom en ökad ackumulering av PR1-proteinuttrycket i tid, väteperoxidackumulering och kallosedeposition. MAPK-kaskader (Mitogen-aktiverat proteinkinas) spelar en avgörande roll i biotiska och abiotiska stressreaktioner genom avkodning av externa stimuli och signaltransduktion . Endofyter aktiverar MAPK-signalering och WRKY53-genuttryck, som båda är involverade i den patogenassocierade molekylära mönster- (PAMP-) utlösta immuniteten (PTI) genom JA/ET-signalvägen på ett NPR1-beroende sätt . Den bakteriella endofyten Azospirillum sp. inducerar också systemisk sjukdomsresistens hos ris mot risblast, och ET-signalering krävs för endofytmedierad inducerad systemisk resistens (ISR) hos ris . Sammantaget aktiverar kombinationen av jasmonsyra (JA) och etylen (ET) signalering resistens mot nekrotrofa patogener, medan salicylsyra (SA) signalering utlöser resistens mot biotrofa och hemibiotrofa patogener .
Endofyter inducerar flera cellväggsmodifieringar, som t.ex. avsättning av callos, pektin, cellulosa och fenoliska föreningar, vilket leder till att en strukturell barriär bildas på den plats där fytopatogenerna eventuellt kan angripa. På samma sätt inducerar de försvarsrelaterade proteiner som peroxidaser, kitinaser och β-1,3-glukanaser . Trichoderma arundinaceum producerar VOC som trichodien som påverkar Botrytis cinerea genom att inducera uttrycket av tomatplantans försvarsrelaterade gener som kodar för salicylsyra (SA) och jasmonat (JA) . Korn som inokulerats med oxo-C14-homoserinlakton (AHL) producerande Ensifer meliloti ökar resistensen mot Puccinia hordei . Genomanalysen av den endofytiska biokontrollstammen Pseudomonas chlororaphis subsp. aurantiaca PB-St2 avslöjade förekomsten av biosyntesgenerna phzI, csaI och aurI för acyl-homoserinlakton (AHL) som är inblandade i den tydliga AHL-produktionen, vilket kan ha betydelse för biokontrollen . På samma sätt spelar endofytisk Pseudomonas putida modifierad med en svampdödande phz-gen som erhållits från Pseudomonas fluorescens en viktig roll i minskningen av svamppopulationen på jord i vetefält .
Lipidöverföringsprotein (LTP) spelar en roll i växters reaktioner på biotisk och abiotisk stress. LTP1 binder jasmonsyra, och tillsammans konkurrerar de med en starkare affinitet för elicitinbindningsstället och kan framkalla resistens på ett avstånd från appliceringspunkten. Uttryck av CaLTP-N, som kodar för ett LTP-liknande protein, minskade sjukdomsutvecklingen, vilket tyder på att LTP är en funktionell komponent i den resistens som induceras av Trichoderma-arter mot Phytophthora-infektioner i paprika. Endofytsvamparna Penicillium citrinum LWL4 och Aspergillus terreus LWL5 minskade svampinfektion orsakad av Alternaria alternata i solrosväxter genom att reglera oxidativa stressreaktioner genom att aktivera glutation och polyfenoloxidas och nedreglera katalas och peroxidas. På samma sätt var aminosyrainnehållet högre på blad som inokulerats med endofyter, vilket tyder på att en sådan förändring fördröjer celldöd och stör svampens utveckling i växtvävnaden.
Den fröburna endofytiska mikroben Bacillus amyloliquefaciens RWL-1 inducerar sjukdomsresistens mot patogena Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici i tomatplantan genom aktivering av aminosyrabiosynteser som asparaginsyra, glutaminsyra, serin (Ser) och prolin (Pro). De är viktiga för induktionen av växtförsvaret under patogenesen. Pro spelar en roll för att stärka cellväggen vid angrepp av patogener. Nivån av försvarsrelaterade oxidativa enzymer som fenylammoniaklyas (PAL), polyfenoloxidas (PPO) och peroxidas (PO) var högre på tomatplantor som behandlades med bakteriella endofyter, vilket resulterade i inducerad systemisk resistens mot Fusarium wilt hos tomater .
6. Slutsats
En framgångsrik etablering av endofyter i värdväxten påverkas av vävnadstypen, värdväxtens genotyp och mikroben samt miljöförhållandena. Grödor som koloniseras av endofyter har en hög tendens till stresstolerans än de som saknar en sådan symbios. De flesta vägar som miRNA:er riktar in sig på för växtförsvaret stängs av under etableringen av symbiosen. På samma sätt är gener som är involverade i anabola vägar mer diversifierade och rikliga bland endofyter i motsats till fytopatogener. Det endofytiska beteendet kan påverkas av olika gener som visat sig vara bevarade, däribland olika transkriptionsreglerare. Ibland kan endofyter nedreglera flagellabiosyntesen och uppreglera funktioner relaterade till flagellarmotorrotation för att dölja sina flagellin-PAMPs och förflytta sig snabbare inom växter under kolonisationen. Endofyter använder olika överlevnadsstrategier och livsstilsmönster efter att ha tagit sig in i växten. De ändrar sin livsstil till patogen närhelst en obalans uppstår under interaktionen mellan värd och mikrob.
Endofyter är kända för att påverka värdens prestanda under stressförhållanden genom att förändra växtens svar på miljöförändringar. De kan fungera som en barriär samt komputera med patogena mikroorganismer och hindra dem från att få fäste. På samma sätt kan de genom antibios eller inducerad systemisk resistens upprätthålla växtens hälsa och bidra till att öka tillväxt och avkastning. Signalering av jasmonsyra (JA) och etylen (ET) samt salicylsyra (SA) krävs för endofytmedierad inducerad resistens. Tvärtom kan endofyter inducera sjukdomsresistens genom aktivering av biosyntesen av aminosyror. Sammantaget betraktas endofyter som extremt viktiga växtpartners med potential att minimera skördebortfallet genom att ge värdväxten förbättrad stresstolerans på ett miljövänligt sätt och därigenom öka jordbrukets produktivitet.