《Microbial Biotechnology》：Plant Immunity–Activating Endophytic Bacteria Induce Dynamic Metabolic Changes in Cultured Plant Cells Without Inhibiting Their Growth
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本文推薦研究揭示了植物免疫激活內生菌（如Delftia sp. BR1R-2和Pseudomonas sp. RS1P-1）與培養植物細胞（煙草BY-2和擬南芥T87細胞）共培養的新策略，通過物理接觸激活植物防御反應（如JA/ET信號通路），顯著誘導抗菌化合物（如乙酰苯酚類物質和色氨酸）積累，且不抑制細胞生長。該策略為利用微生物共培養高效生產高價值植物化學物提供了新途徑。
引言：培養植物細胞生產高價值化合物的新策略
植物細胞培養因其生長快速、不受氣候影響等優勢，成為生產植物源活性化合物（如酚類和萜類）的重要平臺。然而，培養細胞中次級代謝物合成基因的表達水平通常較低，限制了目標產物的產量。近年來，微生物與植物細胞共培養策略通過細胞間相互作用有效激活代謝通路，但細菌共培養常因抑制植物細胞生長而應用受限。本研究聚焦于植物免疫激活內生菌，這類細菌能激活植物免疫卻不抑制宿主生長，為代謝工程提供了新思路。
實驗方法：多維度解析細菌-植物細胞互作
研究采用煙草BY-2細胞和擬南芥T87細胞為模型，與三種植物免疫激活內生菌（Delftia sp. BR1R-2、Pseudomonas sp. RS1P-1和Arthrobacter sp. BR2S-6）進行共培養。通過測定細胞鮮重和Evans Blue染色評估細菌對植物細胞生長和死亡的影響；利用高效液相色譜（HPLC）和液相色譜-質譜聯用（LC-MS）分析代謝物變化；通過RNA測序（RNA-seq）技術解析基因表達譜；采用UniWells共培養裝置（0.6 μm濾膜分隔）探究物理接觸的必要性。
結果1：內生菌共培養不抑制植物細胞生長且誘導代謝重編程
與植物病原菌Pectobacterium carotovora和大腸桿菌Escherichia coli不同，內生菌BR1R-2與BY-2細胞共培養96小時后，未引起植物細胞死亡或生長抑制（鮮重無顯著變化），但細胞顏色變為赭色，提示代謝變化。HPLC分析顯示，共培養后BY-2細胞中N-咖啡酰腐胺（N-caffeoylputrescine）含量下降，而多個乙酰苯酚苷類化合物（峰值3-6）顯著積累，其中峰值6化合物經LC-MS/MS鑒定為丁烯內酯苷或二羥基乙酰苯酚苷。此外，共培養細胞提取物對植物病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000表現出顯著抗菌活性，商業乙酰苯酚（如3′,4′-二羥基乙酰苯酚）驗證了該類物質的抗菌功能。
結果2：轉錄組揭示防御通路與代謝樞紐的協同激活
RNA-seq分析發現，BR1R-2共培養上調了BY-2細胞中1,600余個基因（FC > 4, FDR < 0.001）。GO富集分析顯示，這些基因顯著富集于防御響應（如響應真菌、細菌）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）信號通路。KEGG通路分析進一步表明，"氨基糖和核苷酸糖代謝"（ko00520）通路被激活，其中UDP-葡萄糖焦磷酸化酶（K00963）基因表達上調8.76倍，為乙酰苯酚苷化提供糖基供體；"苯丙烷生物合成"通路（ko00940）中過氧化物酶基因協同上調，支撐次級代謝物合成。
結果3：物理接觸是代謝誘導的關鍵觸發因素
通過細菌組分分離實驗，發現BR1R-2的細胞包膜組分可誘導BY-2細胞代謝變化，而胞內和胞外組分無此效應。UniWells共培養實驗證實，當細菌與植物細胞被0.6 μm濾膜物理分隔時，代謝變化被完全抑制，表明細菌包膜組分（如脂多糖或鞭毛蛋白）需通過直接接觸激活植物模式觸發免疫（PTI），進而啟動代謝重編程。
結果4：不同內生菌的效應具有菌株特異性
比較三種內生菌發現，Pseudomonas sp. RS1P-1與BR1R-2類似，可誘導BY-2細胞產生乙酰苯酚衍生物（峰值7-8，m/z 195.1），并在擬南芥T87細胞中促進色氨酸（Trp）積累（產量提升10倍）；而Arthrobacter sp. BR2S-6雖不抑制生長，卻未引發顯著代謝變化。這種差異可能與革蘭氏陰性菌（BR1R-2、RS1P-1）的包膜 elicitors 和革蘭氏陽性菌（BR2S-6）的分泌型信號分子不同有關。
討論：內生菌共培養策略的應用潛力與機制展望
本研究表明，植物免疫激活內生菌通過物理接觸觸發JA/ET介導的防御信號網絡，重編程植物細胞代謝流，促進抗菌化合物合成而不犧牲生物量。該策略突破了傳統微生物共培養的生長抑制瓶頸，為規�；a乙酰苯酚（農藥和藥物先導化合物）及色氨酸（防御物前體）提供了綠色平臺。未來研究可聚焦于 elicitors 的精確鑒定及跨物種代謝通路整合，進一步拓展植物-微生物互作在合成生物學中的應用邊界。
