Phản ứng khác biệt của quá trình chuyển hóa thứ cấp ở Oryza sativa đối với các tương tác sinh học với vi khuẩn hợp tác, commensal và gây bệnh thực vật

Planta - Tập 242 - Trang 1439-1452 - 2015
Amel Chamam1,2,3, Florence Wisniewski-Dyé1,2, Gilles Comte1,2, Cédric Bertrand4, Claire Prigent-Combaret1,2
1UMR CNRS 5557 Ecologie Microbienne, Université Lyon 1, Villeurbanne Cedex, France
2Université de Lyon, Lyon, France
3Unité de Recherche Clinique Lariboisière-Saint Louis, Paris, France
4Laboratoire de Chimie des Biomolécules et de l’Environnement EA 4215, Université de Perpignan, Perpignan, France

Tóm tắt

Việc phân tích các hợp chất chuyển hóa thứ cấp của thực vật cho phép phân loại các loại tương tác sinh thái khác nhau giữa cây lúa và vi khuẩn. Cây lúa phản ứng với những vi khuẩn sinh thái khác nhau bằng cách điều chỉnh hàm lượng flavonoid và các dẫn xuất của axit hydroxycinnamic. Sự phát triển và sinh lý của thực vật chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các tương tác sinh học mà cây thiết lập với quần thể vi khuẩn trong đất. Thực vật có khả năng nhận biết và phản ứng tương ứng với các vi khuẩn sinh thái khác nhau, thông qua việc kích hoạt các con đường phòng thủ chống lại mầm bệnh nhằm ngăn chặn các tương tác ký sinh, và đồng thời kích thích sự phát triển của các vi khuẩn có lợi hoặc commensal gắn với rễ thông qua sự tiết ra từ rễ. Quá trình chuyển hóa thứ cấp của thực vật dự kiến sẽ đóng vai trò chính trong việc kiểm soát này. Tuy nhiên, cho đến nay, các phản ứng của các hợp chất chuyển hóa thứ cấp của cùng một loại cây đối với các vi khuẩn hợp tác, commensal và gây hại chưa bao giờ được so sánh. Tác động của vi khuẩn thúc đẩy sự phát triển cây trồng (PGPR) Azospirillum lipoferum 4B đối với các hồ sơ hợp chất chuyển hóa thứ cấp của hai giống lúa Oryza sativa L. (Cigalon và Nipponbare) đã được so sánh với một mầm bệnh của lúa Burkholderia glumae AU6208, tác nhân gây bệnh chứng thối bông, và một loại vi khuẩn môi trường commensal Escherichia coli B6. Chiết xuất rễ và chồi của cây lúa đã được phân tích bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao đảo ngược (RP-HPLC). Phân tích các thành phần chính (PCA) đã chỉ ra các hợp chất chuyển hóa thứ cấp phân biệt, được đặc trưng bởi khối phổ. So sánh trực tiếp các hồ sơ chuyển hóa đã chứng tỏ rằng mỗi tương tác sinh thái với vi khuẩn đã kích thích những thay đổi định tính và định lượng khác biệt trong quá trình chuyển hóa thứ cấp của cây lúa, bằng cách điều chỉnh hàm lượng của nhiều hợp chất flavonoid và các dẫn xuất của axit hydroxycinnamic (HCA). Quá trình chuyển hóa thứ cấp thay đổi theo giống và loại tương tác, cho thấy sự liên quan của việc phân tích chuyển hóa thứ cấp trong việc nghiên cứu các tương tác sinh học giữa cây và vi khuẩn.

Từ khóa

#Oryza sativa #vi khuẩn hợp tác #vi khuẩn commensal #vi khuẩn gây bệnh thực vật #chuyển hóa thứ cấp

Tài liệu tham khảo

Bais HP, Weir TL, Perry LG, Gilroy S, Vivanco JM (2006) The role of root exudates in rhizosphere interactions with plants and other organisms. Annu Rev Plant Biol 57:233–266 Bednarek P, Piœlewska-Bednarek M, Svatoš A, Schneider B, Doubsky J, Mansurova M et al (2009) A glucosinolate metabolism pathway in living plant cells mediates broad-spectrum antifungal defense. Science 323:101–106 Bennett RN, Wallsgrove RM (1994) Tansley Review No. 72. Secondary metabolites in plant defence mechanisms. New Phytol 127:617–633 Berg G, Smalla K (2009) Plant species and soil type cooperatively shape the structure and function of microbial communities in the rhizosphere. FEMS Microbiol Ecol 68:1–13 Berger S, Sinha AK, Roitsch T (2007) Plant physiology meets phytopathology: plant primary metabolism and plant–pathogen interactions. J Exp Bot 58:4019–4026 Besson E, Dellamonica G, Chopin J, Markham KR, Kim M, Koh H-S, Fukami H (1985) C-glycosylflavones from Oryza sativa. Phytochemistry 24:1061–1064 Brazier-Hicks M, Evans KM, Gershater MC, Puschmann H, Steel PG, Edwards R (2009) The C-glycosylation of flavonoids in cereals. J Biol Chem 284:17926–17934 Camilios-Neto D, Bonato P, Wassem R, Tadra-Sfeir MZ, Brusamarello-Santos LCC, Valdameri G, Donatti L, Faoro H, Weiss VA, Chubatsu LS, Pedrosa FO, Souza EM (2014) Dual RNA-seq transcriptional analysis of wheat roots colonized by Azospirillum brasilense reveals up-regulation of nutrient acquisition and cell cycle genes. BMC Genomics 15:378 Chamam A, Sanguin H, Bellvert F, Meiffren G, Comte G, Wisniewski-Dyé F, Bertrand C, Prigent-Combaret C (2013) Plant secondary metabolite profiling evidences strain-dependent effect in the Azospirillum–Oryza sativa association. Phytochemistry 87:65–77 Clay NK, Adio AM, Denoux C, Jander G, Ausubel FM (2009) Glucosinolate metabolites required for an Arabidopsis innate immune response. Science 323:95–101 Coleman HD, Park J-Y, Nair R, Chapple C, Mansfield SD (2008) RNAi-mediated suppression of p-coumaroyl-CoA 3′-hydroxylase in hybrid poplar impacts lignin deposition and soluble secondary metabolism. Proc Natl Acad Sci USA 105:4501–4506 Couillerot O, Ramírez-Trujillo A, Walker V, von Felten A, Jansa J, Maurhofer M, Défago G, Prigent-Combaret C, Comte G, Caballero-Mellado J, Moënne-Loccoz Y (2013) Comparison of prominent Azospirillum strains in Azospirillum–Pseudomonas–Glomus consortia for promotion of maize growth. Appl Microbiol Biotechnol 97:4639–4649 Dandie CE, Larrainzar E, Mark GL, O’Gara F, Morrissey JP (2005) Establishment of DsRed. T3_S4T as an improved autofluorescent marker for microbial ecology applications. Environ Microbiol 7:1818–1825 De Ascensao ARDCF, Dubery IA (2000) Panama disease: cell wall reinforcement in Banana roots in response to elicitors from Fusarium oxysporum f. sp. cubense race four. Phytopathology 90:1173–1180 Delgado NJ, Casler MD, Grau CR, Jung HG (2002) Reactions of smooth bromegrass clones with divergent lignin or etherified ferulic acid concentration to three fungal pathogens. Crop Sci 42:1824–1831 Drogue B, Sanguin H, Borland S, Prigent-Combaret C, Wisniewski-Dye F (2014) Genome wide profiling of Azospirillum lipoferum 4B gene expression during interaction with rice roots. FEMS Microbiol Ecol 87:543–555 Edreva AV, Velikova T, Tsonev T, Dagnon S, Gurel A, Atkas L, Gesheva E (2008) Stress protective role of secondary metabolites: diversity of functions and mechanisms. Gen Appl Plant Physiol 34:67–78 El Zemrany H, Czarnes S, Hallett P, Alamercery S, Bally R, Jocteur-Monrozier L (2007) Early changes in root characteristics of maize (Zea mays) following seed inoculation with the PGPR Azospirillum lipoferum CRT1. Plant Soil 291:109–118 El-Khawas H, Adachi K (1999) Identification and quantification of auxins in culture media of Azospirillum and Klebsiella and their effect on rice. Biol Fertil Soils 28:377–381 Ferreres F, Andrade PB, Valentão P, Gil-Izquierdo A (2008) Further knowledge on barley (Hordeum vulgare L.) leaves O-glycosyl-C-glycosyl flavones by liquid chromatography–UV diode-array detection–electrospray ionisation mass spectrometry. J Chromatogr A 1182:56–64 Freeman BC, Beattie GA (2008) An overview of plant defenses against pathogens and herbivores. Plant Health Instr. doi:10.1094/PHI-I-2008-0226-01 Grayer RJ, Kokubun T (2001) Plant-fungal interactions: the search for phytoalexins and other antifungal compounds from higher plants. Phytochemistry 56:253–263 Hartmann T (2007) From waste products to ecochemicals: fifty years research of plant secondary metabolism. Phytochemistry 68:2831–2846 Jaiswal R, Patras MA, Eravuchira PJ, Kuhnert N (2010) Profile and characterization of the chlorogenic acids in green robusta coffee beans by LC–MSn: identification of seven new classes of compounds. J Agric Food Chem 58:8722–8737 Jwa N-S, Agrawal GK, Tamogami S, Yonekura M, Han O, Iwahashi H, Rakwal R (2006) Role of defense/stress-related marker genes, proteins and secondary metabolites in defining rice self-defense mechanisms. Plant Physiol Biochem 44:261–273 Khanh TD, Xuan TD, Chung IM (2007) Rice allelopathy and the possibility for weed management. Ann Appl Biol 151:325–339 Lavania M, Chauhan PS, Chauhan SVS, Singh HB, Nautiyal CS (2006) Induction of plant defense enzymes and phenolics by treatment with plant growth–promoting rhizobacteria Serratia marcescens NBRI1213. Curr Microbiol 52:363–368 Leiss KA, Maltese F, Choi YH, Verpoorte R, Klinkhamer PGL (2009) Identification of chlorogenic acid as a resistance factor for thrips in Chrysanthemum. Plant Physiol 150:1567–1575 Lu Y, Rosencrantz D, Liesack W, Conrad R (2006) Structure and activity of bacterial community inhabiting rice roots and the rhizosphere. Environ Microbiol 8:1351–1360 Lugtenberg B, Kamilova F (2009) Plant-growth-promoting rhizobacteria. Annu Rev Microbiol 63:541–556 Markham KR, Tanner GJ, Caasi-Lit M, Whitecross MI, Nayudu M, Mitchell KA (1998) Possible protective role for 3′,4′-dihydroxyflavones induced by enhanced UV-B in a UV-tolerant rice cultivar. Phytochemistry 49:1913–1919 Mehnaz S, Mirza MS, Haurat J, Bally R, Normand P, Bano A, Malik KA (2001) Isolation and 16S rRNA sequence analysis of the beneficial bacteria from the rhizosphere of rice. Can J Microbiol 47:110–117 Mubassara S, Zahed UM, Motiur RM, Patwary FK, Akond MA (2008) Seed inoculation effect of Azospirillum spp. on growth, biomass and yield parameter of wheat. Acad J Plant Sci 1:56–61 Nelson LM, Knowles R (1978) Effect of oxygen and nitrate on nitrogen fixation and denitrification by Azospirillum brasilense grown in continuous culture. Can J Microbiol 24:1395–1403 Orcaray L, Igal M, Marino D, Zabalza A, Royuela M (2010) The possible role of quinate in the mode of action of glyphosate and acetolactate synthase inhibitors. Pest Manag Sci 66:262–269 Osbourn AE, Qi X, Townsend B, Qin B (2003) Dissecting plant secondary metabolism—constitutive chemical defences in cereals. New Phytol 159:101–108 Parker D, Beckmann M, Zubair H, Enot DP, Caracuel-Rios Z, Overy DP, Snowdon S, Talbot NJ, Draper J (2009) Metabolomic analysis reveals a common pattern of metabolic re-programming during invasion of three host plant species by Magnaporthe grisea. Plant J 59:723–737 Raaijmakers JM, Paulitz TC, Steinberg C, Alabouvette C, Moënne-Loccoz Y (2009) The rhizosphere: a playground and battlefield for soilborne pathogens and beneficial microorganisms. Plant Soil 321:341–361 Rakwal R, Agrawal GK, Yonekura M, Kodama O (2000) Naringenin 7-O-methyltransferase involved in the biosynthesis of the flavanone phytoalexin sakuranetin from rice (Oryza sativa L.). Plant Sci 155:213–221 Richardson AE, Barea J-M, McNeill AM, Prigent-Combaret C (2009) Acquisition of phosphorus and nitrogen in the rhizosphere and plant growth promotion by microorganisms. Plant Soil 321:305–339 Sambrook J, Fritsch EF, Maniatis T (1989) Molecular cloning: a laboratory manual, 2nd edn. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor Sarma BK, Singh UP (2003) Ferulic acid may prevent infection of Cicer arietinum by Sclerotium rolfsii. World J Microbiol Biotechnol 19:123–127 Schweizer P, Buchala A, Dudler R, Métraux J-P (1998) Induced systemic resistance in wounded rice plants. Plant J 14:475–481 Shaharoona B, Jamroo GM, Zahir ZA, Arshad M, Memon KS (2007) Effectiveness of various Pseudomonas spp. and Burkholderia caryophylli containing ACC-deaminase for improving growth and yield of wheat (Triticum aestivum L.). J Microbiol Biotechnol 17:1300–1307 Spaepen S, Bossuyt S, Engelen K, Marchal K, Vanderleyden J (2014) Phenotypical and molecular responses of Arabidopsis thaliana roots as a result of inoculation with the auxin-producing bacterium Azospirillum brasilense. New Phytol 201:850–861 Stevenson P, Kimmins F, Grayer R, Raveendranath S (1996) Schaftosides from rice phloem as feeding inhibitors and resistance factors to brown planthoppers, Nilaparvata lugens. Entomol Exp Appl 80:246–249 Texier S, Prigent-Combaret C, Gourdon M-H, Poirier M-A, Faivre P, Dorioz J-M, Poulenard J, Jocteur-Monrozier L, Moenne-Loccoz Y, Trevisan D (2008) Persistence of culturable Escherichia coli fecal contaminants in dairy alpine grassland soils. J Environ Qual 37:2299–2310 Thomas-Bauzon D, Weinhard P, Villecourt P, Balandreau J (1982) The spermosphere model—its use in growing, counting, and isolating N2-fixing bacteria from the rhizosphere of rice. Can J Microbiol 28:922–928 Vacheron J, Desbrosses G, Bouffaud M-L, Touraine B, Moënne-Loccoz Y, Muller D, Legendre L, Wisniewski-Dyé F, Prigent-Combaret C (2013) Plant growth-promoting rhizobacteria and root system functioning. Front Plant Sci 4:356 Vanholme R, Demedts B, Morreel K, Ralph J, Boerjan W (2010) Lignin biosynthesis and structure. Plant Physiol 153:895–905 Walker TS, Bais HP, Grotewold E, Vivanco JM (2003) Root exudation and rhizosphere biology. Plant Physiol 132:44–51 Walker V, Bertrand C, Bellvert F, Moënne-Loccoz Y, Bally R, Comte G (2011) Host plant secondary metabolite profiling shows a complex, strain-dependent response of maize to plant growth-promoting rhizobacteria of the genus Azospirillum. New Phytol 189:494–506 Walker V, Couillerot O, Von Felten A, Bellvert F, Jansa J, Maurhofer M, Bally R, Moënne-Loccoz Y, Comte G (2012) Variation of secondary metabolite levels in maize seedling roots induced by inoculation with Azospirillum, Pseudomonas and Glomus consortium under field conditions. Plant Soil 356:151–163 Weinberg JB, Alexander BD, Majure JM, Williams LW, Kim JY, Vandamme P et al (2006) Burkholderia glumae infection in an infant with chronic granulomatous disease. J Clin Microbiol 45:662–665 Yasuda M, Isawa T, Shinozaki S, Minamisawa K, Nakashita H (2009) Effects of colonization of a bacterial endophyte, Azospirillum sp. B510, on disease resistance in rice. Biosci Biotechnol Biochem 73:2595–2599