楊揚(yáng)高克祥吳巖劉曉光

（1. 江蘇大學(xué)生命科學(xué)研究院，鎮(zhèn)江 212013；2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植病系，泰安 271018）

吲哚乙酸跨界信號(hào)調(diào)節(jié)植物與細(xì)菌互作

楊揚(yáng)1高克祥2吳巖1劉曉光1

（1. 江蘇大學(xué)生命科學(xué)研究院，鎮(zhèn)江 212013；2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植病系，泰安 271018）

吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）作為植物體內(nèi)普遍存在的內(nèi)源生長(zhǎng)素參與調(diào)節(jié)植物生命活動(dòng)的諸多方面。研究發(fā)現(xiàn)，自然界中不僅植物可以合成IAA，許多微生物（包括植物病原菌或益生菌）同樣具有分泌IAA的能力，可以誘發(fā)植物病害，或促進(jìn)植物生長(zhǎng)。有趣的是IAA不僅作為細(xì)菌的次生代謝物干擾寄主植物的激素穩(wěn)態(tài)，也作為信號(hào)分子影響細(xì)菌基因表達(dá)和生理活動(dòng)，通過整合進(jìn)入細(xì)菌復(fù)雜代謝網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)植物與細(xì)菌的相互作用。通過討論植物相關(guān)細(xì)菌IAA的生物合成途徑及其調(diào)控，以及參與調(diào)節(jié)細(xì)菌基因表達(dá)、影響細(xì)菌生理和行為及其與寄主植物的互作等，概述該領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)與進(jìn)展，揭示IAA不僅調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育和防御，也作為跨界信號(hào)在調(diào)控植物與微生物互作中發(fā)揮重要作用，旨在為深入研究和更好地了解IAA跨界信號(hào)機(jī)制，通過遺傳操縱細(xì)菌IAA信號(hào)通路以改善植物生長(zhǎng)發(fā)育及其脅迫耐力提供新思路。

吲哚-3-乙酸；細(xì)菌IAA生物合成；IAA遺傳調(diào)控；植物與細(xì)菌相互作用

植物激素的發(fā)現(xiàn)追溯于19世紀(jì)關(guān)于向光性和趨向性實(shí)驗(yàn)。1880年，Charles Darwin通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植物具有趨光性現(xiàn)象，推斷在植物體內(nèi)存在一種可傳遞的物質(zhì)命名為激素（Auxin），并最終被鑒定為吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）［1］。IAA作為最早被發(fā)現(xiàn)的植物生長(zhǎng)激素，幾乎參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段，調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的生長(zhǎng)、根莖葉的分化及果實(shí)發(fā)育，在植物生長(zhǎng)發(fā)育和防御中發(fā)揮重要作用［2］。有趣的是許多微生物（既包括植物益生菌，也包括植物致病菌）也具有合成IAA的能力，通過干擾植物體內(nèi)激素的平衡從而影響寄主植物的發(fā)育和抗逆性。例如，許多植物根際促生菌（plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）和木霉屬（Trichoderma）生防真菌因?yàn)楫a(chǎn)生IAA而具有促進(jìn)植物生長(zhǎng)的潛能；而病原細(xì)菌根瘤農(nóng)桿菌（Agrobacterium tumefaciens）產(chǎn)生的IAA則作為毒力因子誘發(fā)根癌病。更重要的是，近期研究發(fā)現(xiàn)，IAA也作為信號(hào)分子調(diào)控細(xì)菌基因表達(dá)及其與寄主植物的有益或有害互作［3］。本文主要從植物相關(guān)細(xì)菌IAA的生物合成途徑，IAA如何調(diào)節(jié)細(xì)菌的生理活動(dòng)及參與細(xì)菌與植物相互作用，以及影響細(xì)菌IAA產(chǎn)生的環(huán)境及其遺傳因子4個(gè)方面進(jìn)行概述，旨在更好地了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及最新研究進(jìn)展，為IAA 跨界信號(hào)機(jī)制的系統(tǒng)深入研究提供借鑒。

1　細(xì)菌中IAA生物合成途徑

細(xì)菌與植物中IAA的生物合成途徑存在高度相似性，分為色氨酸依賴型途徑和獨(dú)立于色氨酸型途徑兩大類。某些細(xì)菌中并存多條IAA生物合成途徑，也暗示了IAA對(duì)于細(xì)菌生理的重要性。以反應(yīng)中間體命名，包括3種主要的合成途徑：吲哚-3-乙酰胺IAM（indole-3-acetamid）途徑；吲哚-3-丙酮酸IPyA（indole-3-pyruvic acid）途徑和吲哚-3-乙腈IAN（indole-3-acetonitrile）途徑，都以色氨酸（tryptophan，Trp）作為前體物質(zhì)［3］。

1.1色氨酸依賴型途徑（trp-dependent pathway）

1.1.1吲哚-3-乙酰胺（indole-3-acetamide，IAM）途徑 IAM主要存在于植物致病菌中，少數(shù)植物促生菌也存在該途徑。如橄欖節(jié)疤病菌Pseudomonas savastanoi pv. savastanoi，冠癭病菌A. tumefaciens和鷹嘴豆枯萎鐮刀菌Fusarium delphinoides等。另外，在植物根際促生菌綠針假單胞菌P. chlororaphis O6中也鑒定存在IAM 途徑。IAM途徑為色氨酸依賴型途徑，主要分為兩步：首先Trp在色氨酸-2-單加氧酶（tryptophan-2-monooxygenase，IaaM）的作用下合成吲哚-3-乙酰胺（indole-3-acetamide，IAM），IAM 在iaaH基因編碼的IAM水解酶（IaaH）作用下合成IAA［4-7］。

1.1.2吲哚-3-丙酮酸（indole-3-pyruvic acid，IPyA）途徑 IPyA是植物體內(nèi)IAA合成的主要途徑，研究表明該途徑也廣泛存在于植物益生菌中，影響細(xì)菌適應(yīng)性定植和植物生長(zhǎng)促進(jìn)。IPyA途徑以Trp為前體物質(zhì)，在氨基轉(zhuǎn)移酶（Aminotransferase）作用下合成吲哚-3-丙酮酸（indole-3-pyruvate，IPyA），IPyA進(jìn)一步通過吲哚-3-丙酮酸脫羧酶（indole-3-pyruvate decarboxylase，IPDC）脫羧基形成吲哚-3-乙醛（indole-3-acetaldehyde，IAAld），最后IAAld被氧化成IAA。由ipdC基因編碼的吲哚-3-丙酮酸脫羧酶IPDC作為IPyA途徑中的關(guān)鍵酶，在許多植物細(xì)菌中已經(jīng)被鑒定。例如，植物促生菌分散泛生氏菌（Pantoea dispersa），解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）和巴西固氮菌（Azospirillum brasilense）等［8-10］。

1.1.3吲哚-3-乙腈（indole-3-acetonitrile pathway，IAN）途徑 植物和細(xì)菌都存在IAN途徑，也屬于色氨酸依賴型途徑，主要分為3步：首先，Trp在一種類似氧化還原酶的作用下轉(zhuǎn)換為吲哚-3-乙醛肟（indole-3-acetaldoxime，IAOx），IAOx進(jìn)一步通過吲哚乙醛肟脫水酶（indoleacetaldoxime dehydratase）合成吲哚-3-乙腈（indole-3-acetonitrile，IAN），最后乙腈水解酶將IAN水解形成IAA［1］。如固氮螺菌Azospirillum amazonense基因組中被鑒定存在IAN途徑［11］。

1.2色氨酸獨(dú)立型途徑（trp-independent pathway）

通過同位素標(biāo)記的方法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)巴西固氮菌A. brasilense中90％的IAA通過獨(dú)立于色氨酸的途徑合成，只有0.1％ 的IAA通過IAM途徑合成。盡管目前參與該途徑的酶尚未得到鑒定，該研究證明了植物細(xì)菌中也存在色氨酸獨(dú)立的IAA合成途徑［12］。

2　IAA參與調(diào)節(jié)細(xì)菌的生理活動(dòng)

IAA不僅作為細(xì)菌次生代謝物調(diào)節(jié)植物生理，近期研究發(fā)現(xiàn)IAA還作為信號(hào)分子調(diào)控細(xì)菌基因表達(dá)，參與調(diào)節(jié)細(xì)菌多種生物學(xué)過程和行為，包括抗逆性、運(yùn)動(dòng)性和附生適應(yīng)性等。

2.1IAA影響細(xì)菌脅迫耐力

研究發(fā)現(xiàn)，在根瘤固氮菌Sinorhizobium meliloti中，經(jīng)酸、高滲透壓、紫外線和熱擊等脅迫處理后，添加外源IAA的處理或遺傳操縱獲得的IAA過表達(dá)菌株，其細(xì)菌存活率明顯高于對(duì)照組或野生菌。這些結(jié)果表明IAA能夠增強(qiáng)細(xì)菌的脅迫耐力，使細(xì)菌在逆境中獲得更好的生存能力和競(jìng)爭(zhēng)力。進(jìn)一步分析表明經(jīng)外源IAA處理的細(xì)菌，其胞內(nèi)海藻糖含量上升。海藻糖作為細(xì)菌的碳源，也參與調(diào)節(jié)細(xì)菌滲透壓抵抗嚴(yán)寒和干燥。另外，脂多糖、胞外多糖及生物膜形成在IAA過表達(dá)菌株中都有所提高，這些都有助于細(xì)菌抵御外界不良環(huán)境，增強(qiáng)適應(yīng)性和生存率［13］。值得注意的是，IAA對(duì)于細(xì)菌脅迫耐力的調(diào)節(jié)（增強(qiáng)或削弱），隨細(xì)菌的種類以及具體的脅迫環(huán)境不同而有所變化。例如，添加外源IAA能夠增強(qiáng)Bacillus subtilis和Escherichia coli對(duì)紫外照射的耐受性，但并未增強(qiáng)它們對(duì)溫度和鏈霉素的耐受能力；相反，IAA處理后的E. coli對(duì)溫度和鏈霉素更加敏感［14］。

2.2IAA作為信號(hào)分子調(diào)節(jié)細(xì)菌基因表達(dá)

轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，添加外源IAA處理引起固氮菌Bradyrhizobium japonicum大量基因轉(zhuǎn)錄物水平的改變。尤其是一些與細(xì)菌適應(yīng)脅迫環(huán)境相關(guān)的蛋白，包括熱休克蛋白、冷休克蛋白、胞外多糖EPS合成和分子伴侶等，其編碼基因的轉(zhuǎn)錄水平明顯上調(diào)，揭示了IAA調(diào)節(jié)細(xì)菌脅迫抗性的分子基礎(chǔ)。相反，一些參與氨基酸合成、細(xì)胞過程、能量代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)等生理活動(dòng)的基因受到抑制［15］。在A. brasilense sp.菌株245中，比較分析野生菌和ipdC突變體的基因表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)：ipdC突變體中39個(gè)編碼核糖體蛋白的基因表達(dá)下調(diào)，而硝酸鹽還原系統(tǒng)相關(guān)基因的表達(dá)則增加1.4-1.9倍，同時(shí)也增加了VI型分泌系統(tǒng)T6SS相關(guān)基因的表達(dá)。另外，IAA影響細(xì)菌的呼吸作用，ipdC突變體中NADH脫氫酶復(fù)合體的表達(dá)明顯下降，添加外源IAA后表達(dá)量上升［16］。Spaepen等［17］也報(bào)道在Rhizobium etli中IAA可誘導(dǎo)細(xì)菌基因表達(dá)，包括信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、鞭毛和細(xì)菌附著相關(guān)基因，進(jìn)而影響細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性和定植能力等。

3　IAA參與細(xì)菌與植物的相互作用

植物相關(guān)細(xì)菌分泌的IAA可以與其他細(xì)菌毒力因子協(xié)同誘發(fā)植物病害，或影響植物生長(zhǎng)發(fā)育。IAA對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)或抑制是濃度依賴的，例如PGPR 菌株P(guān). fluorescens Psd 中IAA產(chǎn)量約為 6.32 μg/OD600，接種植物后表現(xiàn)為促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育。然而，通過將攜帶iaaM-iaaH基因的質(zhì)粒導(dǎo)入Psd產(chǎn)生過表達(dá)菌株時(shí)，IAA產(chǎn)量增至80.32 μg /OD600則表現(xiàn)為抑制高粱根系的生長(zhǎng)［18］。

3.1IAA與植物-益生菌互作

IAA影響固氮菌A. brasilense對(duì)植物的促生作用，其IAA合成主要依賴于IPyA途徑。研究表明ipdC突變體中IAA產(chǎn)量降低50％，對(duì)于植物的促生作用也明顯降低［19］。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)細(xì)菌感應(yīng)高水平IAA 刺激后，許多轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)受到影響，同時(shí)VI型分泌系統(tǒng)（T6SS）相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào)。大量研究已表明，T6SS在細(xì)菌與植物及其與微生物群落的相互作用中扮演重要作用，暗示了細(xì)菌的生理活動(dòng)受植物根際微環(huán)境中IAA濃度的影響［16］。

共生根瘤菌Sinorhizobium meliloti RD64既能夠固定空氣中的氮為宿主植物利用，也合成IAA促進(jìn)植物生長(zhǎng)。IAA水平與固氮能力正相關(guān)，并調(diào)節(jié)TCA循環(huán)關(guān)鍵酶的表達(dá)。IAA上調(diào)聚-β-羥丁酸（poly-β-hydroxybutyrate，PHB）合成酶的活性，導(dǎo)致PHB產(chǎn)量明顯增加，同時(shí)細(xì)菌的存活率也明顯提高。當(dāng)苜蓿接種IAA過表達(dá)菌株后莖的干重顯著增加［13］。

分離于黃瓜根系的生防菌Bacillus amyloliq-uefaciens能夠抑制鐮刀菌枯萎病，刺激植物生長(zhǎng)。通過比較分析IAA缺失突變體和野生菌株發(fā)現(xiàn)，IAA與其他植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子，如揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds，VoCs）和胞外酶等協(xié)同作用影響對(duì)植物的促生能力［9，20］。

3.2IAA與植物-病原細(xì)菌互作

根瘤農(nóng)桿菌A. tumefaciens引起多種植物的根癌病，其致病過程首先通過感應(yīng)植物根際傷口處分泌的大量酚類化合物吸引農(nóng)桿菌移向這些細(xì)胞，激活相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)Ti質(zhì)粒整合進(jìn)入植物細(xì)胞。Ti質(zhì)粒攜帶的毒力基因表達(dá)使植物體IAA和細(xì)胞分裂素（Cytokinin）的合成增加，植物局部組織過度增生，導(dǎo)致癭瘤的形成［5］。

Pantoea agglomerans pv. gypsophilae引起植物癭瘤病，具有IAM和IPyA兩條IAA合成途徑，分別參與細(xì)菌不同的生理活動(dòng)。IAM途徑主要影響細(xì)菌致病力，而IPyA途徑與附生能力相關(guān)。其中，IAM途徑受抑制時(shí)可導(dǎo)致癭瘤減小40％-50％；而抑制IPyA途徑對(duì)其致病力的影響甚微，但明顯影響其附生能力［21］。

Pseudomonas syringage pv. savastanoi產(chǎn)生高濃度的IAA，引起植物橄欖結(jié)疤病。該細(xì)菌寄生于植物體內(nèi)，直接將IAA分泌到植物細(xì)胞內(nèi)干擾激素平衡，從而誘導(dǎo)腫瘤的產(chǎn)生［4］。

3.3IAA與植物防御

植物存在兩條先天的免疫系統(tǒng)應(yīng)對(duì)細(xì)菌感染。第一條基本防御系統(tǒng)識(shí)別和應(yīng)答微生物包括病原菌釋放的共有的信號(hào)分子，如感應(yīng)細(xì)菌鞭毛。微生物/病原菌相關(guān)的分子模式（pathogen/microbial-associated molecular patterns，PAMPs/MAMPs），與病原菌識(shí)別受體模式（the plant pathogen recognition receptors，PRRs）互作在激活植物基本防御過程中發(fā)揮重要作用。第二條過敏反應(yīng)（hypersensitive response，HR）應(yīng)答系統(tǒng)感應(yīng)病原菌毒力因子，由植物抗病R基因介導(dǎo)，直接或間接影響寄主植物防御［22］。IAA作為植物最重要的激素也參與調(diào)節(jié)植物防御。Navarro等［23］研究發(fā)現(xiàn)植物IAA 信號(hào)和抵御病原菌的能力之間存在聯(lián)系。例如，丁香假單胞菌Pseudomonas syringae以PAMPs模式下調(diào)擬南芥IAA 信號(hào)，而抑制IAA信號(hào)可減緩細(xì)菌生長(zhǎng)，從而增強(qiáng)了植物對(duì)病原細(xì)菌的抗病力；相反，添加外源IAA可使植物對(duì)該病原細(xì)菌的敏感性增強(qiáng)。另外，擬南芥經(jīng)外源IAA處理后植物病程相關(guān)蛋白的表達(dá)水平也下調(diào)，表明植物體內(nèi)IAA水平與其抗細(xì)菌侵染的能力負(fù)相關(guān)［24］。已有報(bào)道IAA分泌也影響細(xì)菌在植物體的附生和適應(yīng)能力。在P. fluorescens HP72中除了植物促生作用，IAA產(chǎn)量降低的突變體附著植物根系的能力也明顯下降，表明植物根際分泌物中的IAA也能夠影響細(xì)菌的寄生，從而達(dá)到防御的目的［25］。

4　細(xì)菌IAA生物合成的調(diào)控

細(xì)菌合成的IAA具有多功能性：首先影響寄主植物生理活動(dòng)，又可以調(diào)節(jié)細(xì)菌自身基因表達(dá)、參與細(xì)菌的生理和代謝，還作為跨界信號(hào)參與植物與微生物的相互作用等，因此細(xì)菌合成IAA的水平受到高度精細(xì)的調(diào)控。影響細(xì)菌IAA合成的因素包括pH值和溫度、色氨酸濃度、營(yíng)養(yǎng)等環(huán)境因子，更重要的是多層次的遺傳因子整合形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)通過感應(yīng)和應(yīng)答環(huán)境刺激動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)IAA產(chǎn)生［3］。

4.1環(huán)境因素

細(xì)菌IAA的產(chǎn)生受生長(zhǎng)環(huán)境的影響。首先溫度和pH值影響IAA的合成。例如，A. brasilense SM 在30℃時(shí)生長(zhǎng)最佳，然而溫度的波動(dòng)和增加培養(yǎng)時(shí)間都能刺激IAA的產(chǎn)生。另外，pH值也影響IAA合成，但生長(zhǎng)最適pH值不是IAA產(chǎn)生的最佳條件。溫度和pH值都是通過影響IAA合成相關(guān)酶的活性調(diào)節(jié)IAA的合成［26］。在植物根際促生菌Pseudomonas sp. UW4中IAA主要通過IAM和 IAOx/IAN兩條途徑合成，其中兩種關(guān)鍵性酶腈水解酶（nitrilase）和腈水合酶（nitrile hydratase）的最適溫度和最適pH值有所不同。腈水解酶在50℃、pH 6時(shí)活性最高；然而腈水合酶在4℃，pH7.5時(shí)活性最高，因此在不同溫度和pH條件下IAA的產(chǎn)量也有所不同［27］。

除了溫度和pH 的影響，營(yíng)養(yǎng)狀況也影響IAA合成。例如，A.brasilense在因饑餓生長(zhǎng)受限的條件下，ipdC基因的表達(dá)量上升從而導(dǎo)致IAA的產(chǎn)量增加［28］。色氨酸作為細(xì)菌IAA合成的主要前體物質(zhì)，也參與調(diào)控IAA的合成，色氨酸可明顯提高IAA的產(chǎn)量。例如，在培養(yǎng)基中添加色氨酸可使A. brasilense Sp7 IAA產(chǎn)量提升6-8倍。但不同細(xì)菌菌株IAA產(chǎn)量峰值所需的色氨酸濃度不同，同時(shí)Trp對(duì)IAA合成的影響，也是通過對(duì)ipdC基因表達(dá)的調(diào)控而實(shí)現(xiàn)的［29］。由于不同微生物對(duì)于碳氮源的喜好不同，也間接影響IAA的合成，研究表明有機(jī)碳氮源比無機(jī)碳氮源更能提高IAA產(chǎn)量［26］。Dimkpa等［7，30］研究發(fā)現(xiàn)CuO和ZnO納米粒子也影響P. chlororaphis O6 IAA的產(chǎn)量，但 Fe、A、Cd、Cu和Ni等金屬離子能夠在不影響生長(zhǎng)的情況下降低Streptomyces tendae和S. acidiscabies E13 合成IAA的能力。

另外，植物某些分泌物也能夠影響細(xì)菌IAA的合成。例如，植物提取物中的黃酮類物質(zhì)能夠刺激植物共生菌Rhizobium sp. NGR23 合成IAA［31］。

4.2遺傳調(diào)控 IAA生物合成

4.2.1自我正調(diào)控反饋機(jī)制 許多細(xì)菌IAA的合成可以自我誘導(dǎo)（Autoinduction），形成正反饋機(jī)制。例如，在A. brasilense Sp245中控制IAA合成的關(guān)鍵基因?yàn)閕pdC基因，培養(yǎng)基中添加外源IAA明顯刺激ipdC基因的表達(dá)，從而提高IAA的產(chǎn)量。由此可見，IAA合成受自身終產(chǎn)物的正調(diào)控［32］。研究發(fā)現(xiàn)在Azospirillum ipdC基因的上游存在類似于植物激素應(yīng)答原件AuxRe的區(qū)域，能夠響應(yīng)IAA的刺激誘導(dǎo)ipdC基因表達(dá)［28］。

4.2.2遺傳調(diào)控因子 目前已經(jīng)鑒定了許多遺傳調(diào)控因子參與調(diào)節(jié)IAA的生物合成。RpoS作為穩(wěn)定期σ因子已知調(diào)控細(xì)菌脅迫耐力和生物膜形成等，從而影響細(xì)菌適應(yīng)性。在Pseudomonas putida GR12-2 中ipdC的表達(dá)也受RpoS的調(diào)控，rpoS突變株IAA產(chǎn)量較野生型發(fā)生很大改變［33］。P. chlororaphis O6中也有類似報(bào)道，rpoS突變體較野生型IAA產(chǎn)量明顯增加，表明RpoS負(fù)調(diào)控IAA的合成。另外，在該菌株中GacS/GacA雙組分系統(tǒng)也負(fù)調(diào)控IAA的合成［34］。細(xì)菌中參與調(diào)控氨基酸代謝的TyrR型轉(zhuǎn)錄因子也影響IAA產(chǎn)生。例如，Enterobacter cloacae UW5通過IPyA途徑合成IAA，培養(yǎng)基中添加芳香族氨基酸（色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸），可促進(jìn)TyrR上調(diào)ipdC基因轉(zhuǎn)錄和IAA合成。相反，添加支鏈氨基酸如纈氨酸和亮氨酸等則使TyrR下調(diào)IAA產(chǎn)生［35］。

4.2.3遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò) 研究表明在細(xì)菌中IAA可與其他調(diào)控因子整合形成相互作用的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)精細(xì)調(diào)節(jié)植物與細(xì)菌互作。植物癭瘤病菌P. agglomerans pv. gypsophilae中存在2條IAA合成途徑IAM和IPyA。群體感應(yīng)quorum sensing（QS）系統(tǒng)pagI和pagR與hrp/hrc基因簇調(diào)控III 型分泌系統(tǒng)（T3SS）相關(guān)基因表達(dá)影響IAA和細(xì)胞分裂素的合成。QS調(diào)控子pagI和pagR突變菌株中hrpXY、hrpS和hrpL的轉(zhuǎn)錄水平明顯降低影響IAA產(chǎn)量。而IAA水平也影響QS及hrp系統(tǒng)相關(guān)基因的表達(dá)：IAM途徑中iaaH突變，使pagI/R和hrpL、hrpS的表達(dá)水平也相應(yīng)降低；而IPyA途徑中ipdC突變則使上述基因表達(dá)水平升高［21］。以上研究結(jié)果表明IAA、QS和T3SS之間存在相互作用；也暗示了經(jīng)IAM和IPyA途徑產(chǎn)生的IAA信號(hào)分子在調(diào)控QS和Hrp相關(guān)基因表達(dá)中發(fā)揮相反的作用。。

植物致病菌Erwinia chrysanthemi 3937中iaaM基因負(fù)責(zé)IAA合成，轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析iaaM突變菌株發(fā)現(xiàn)，與野生菌相比，大量基因的表達(dá)水平發(fā)生改變。例如，III 型分泌系統(tǒng)（T3SS）相關(guān)基因和gacA表達(dá)水平降低，但翻譯抑制子RNA結(jié)合蛋白R(shí)smA表達(dá)上升。這些結(jié)果表明IAA可以整合進(jìn)入Gac/Rsm信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，從而獲得在轉(zhuǎn)錄和翻譯等不同層面調(diào)控細(xì)菌基因表達(dá)的能力［36］。

某些IAA產(chǎn)生細(xì)菌也能夠利用NO作為信號(hào)分子參與植物與微生物的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)IAA和NO在根際存在緊密的聯(lián)系，相互協(xié)調(diào)組成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)［37］。例如，在A. brasilense SM中nosR和norBC參與調(diào)節(jié)NO的合成和代謝，同時(shí)也參與調(diào)節(jié)IAA的合成。在NO合成代謝缺失菌株中IAA的產(chǎn)量明顯降低，而在產(chǎn)IAA突變菌株中NO合成代謝相關(guān)基因的表達(dá)也受到影響，這表明IAA與NO之間存在交流或具有共同的信號(hào)機(jī)制［38］。

4.3細(xì)菌IAA的降解

一些細(xì)菌具有雙重能力，既能合成IAA，又能分解代謝IAA，維持IAA水平的動(dòng)態(tài)平衡。例如，在Pseudomonas putida 菌株 1290中鑒定細(xì)菌中第一個(gè)負(fù)責(zé)降解IAA的基因簇iacABCGEFG，其表達(dá)受IAA強(qiáng)烈誘導(dǎo)，同時(shí)可以識(shí)別IAA和進(jìn)行趨化性運(yùn)動(dòng)。賦予了細(xì)菌一定的選擇優(yōu)勢(shì)，可以利用環(huán)境中IAA作為唯一碳氮源，為自身生理活動(dòng)提供能量，提升了細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)力和附生植物的能力。細(xì)菌通過該機(jī)制使IAA在植物、細(xì)菌和環(huán)境間可以循環(huán)利用［39，40］。Burkholderia phytofirman也能夠降解IAA，降解IAA作為細(xì)菌附生的一種策略，與IAA降解相關(guān)的iacC突變后，對(duì)植物的促生能力明顯減弱［41］。IAA作為跨界信號(hào)介導(dǎo)的細(xì)菌與植物及其環(huán)境互作的示意圖，見圖1。

圖1　跨界信號(hào)IAA與植物、細(xì)菌的相互作用［1，3，42］

5　結(jié)語

綜上所述，IAA不僅作為細(xì)菌產(chǎn)生的次生代謝物，而且在調(diào)節(jié)植物生理的同時(shí)也作為跨界信號(hào)參與調(diào)節(jié)自身基因表達(dá)，生理活動(dòng)和行為，以及與寄主植物的有益或有害互作。例如，IAA能夠影響細(xì)菌脅迫耐力，增強(qiáng)細(xì)菌對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力；還可以作為信號(hào)分子調(diào)節(jié)細(xì)菌信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、鞭毛形成、附著能力等。隨著整合和系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，結(jié)合使用新一代高通量測(cè)序技術(shù)，目前對(duì)植物體中IAA的生物合成途徑、IAA影響植物生理活動(dòng)的信號(hào)通路和作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。相比而言，關(guān)于IAA介導(dǎo)的調(diào)節(jié)植物與微生物互作的跨界信號(hào)機(jī)制的相關(guān)研究才剛剛起步。目前研究主要集中在IAA調(diào)控細(xì)菌基因表達(dá)及生理活動(dòng)，以及IAA生物合成的調(diào)控。IAA、細(xì)菌、植物三者構(gòu)成相互作用、相互協(xié)調(diào)的有機(jī)整體，構(gòu)成一幅動(dòng)態(tài)的復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。未來更多的目光應(yīng)該聚集在系統(tǒng)探索IAA作為跨界信號(hào)如何整合進(jìn)入植物與細(xì)菌互作的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，精細(xì)調(diào)節(jié)植物與微生物互作。迅速發(fā)展的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等功能基因組學(xué)和代謝組學(xué)方法，整合生物信息學(xué)和高通量測(cè)序技術(shù)等將有助于人們通過不斷研究探索，將這幅網(wǎng)絡(luò)描繪得更加清晰和立體。

人口爆炸，土壤干旱、鹽漬化和沙漠化，以及大量使用化學(xué)農(nóng)藥和化學(xué)肥料嚴(yán)重威脅著食品供給和安全性，是目前人類共同面對(duì)的全球性挑戰(zhàn)。更好地了解該領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)，闡明植物相關(guān)細(xì)菌IAA的合成及調(diào)控機(jī)制，以及IAA參與調(diào)節(jié)植物與細(xì)菌互作的分子基礎(chǔ)等，將有助于提高植物抗逆性和產(chǎn)量，為研發(fā)環(huán)境友好的多功能生物農(nóng)藥/肥料開拓新思路。如通過遺傳操縱植物生防菌可以優(yōu)化其防病促生能力；對(duì)于植物病原菌則可以降低其致病力。這對(duì)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境和生態(tài)都具有重要意義。

［1］Spaepen S， Vanderleyden J， Remans R. Indole-3-acetic acid in microbial and microorganism-plant signaling［J］. FEMS Microbiol Rev， 2007， 31（4）：425-448.

［2］Halliday KJ， Martinez-Garcia JF， Josse EM. Integration of light and auxin signaling［J］. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology，2009， 1（6）：a001586.

［3］Duca D， Lorv J， Patten CL， et al. Indole-3-acetic acid in plantmicrobe interactions［J］. Antonie van Leeuwenhoek， 2014， 106（1）：85-125.

［4］Aragon IM， Perez-Martinez I， Moreno-Perez A， et al. New insightsinto the role of indole-3-acetic acid in the virulence of Pseudomonas savastanoi pv. savastanoi［J］. FEMS Microbiology Letters， 2014，356（2）：184-192.

［5］Subramoni S， Nathoo N， Klimov E， et al. Agrobacterium tumefaciens responses to plant-derived signaling molecules［J］. Frontiers in Plant Science， 2014， 5：322.

［6］Kulkarni GB， Sanjeevkumar S， Kirankumar B， et al. Indole-3-acetic acid biosynthesis in Fusarium delphinoides strain GPK， a causal agent of wilt in chickpea［J］. Applied Biochemistry and Biotechnology， 2013， 169（4）：1292-1305.

［7］Dimkpa CO， Zeng J， Mclean JE， et al. Production of indole-3-acetic acid via the indole-3-acetamide pathway in the plant-beneficial bacterium Pseudomonas chlororaphis O6 is inhibited by ZnO nanoparticles but enhanced by CuO nanoparticles［J］. Applied and Environmental Microbiology， 2012， 78（5）：1404-1410.

［8］Kulkarni GB， Nayak AS， Sajjan SS， et al. Indole-3-acetic acid biosynthetic pathway and aromatic amino acid aminotransferase activities in Pantoea dispersa strain GPK［J］. Letters in Applied Microbiology， 2013， 56（5）：340-347.

［9］Shao J， Li S， Zhang N， et al. Analysis and cloning of the synthetic pathway of the phytohormone indole-3-acetic acid in the plantbeneficial Bacillus amyloliquefaciens SQR9［J］. Microbial Cell Factories， 2015， 14：130.

［10］Jijon-Moreno S， Marcos-Jimenez C， Pedraza RO， et al. The ipdC，hisCl and hisC2 genes involved in indole-3-acetic production used as alternative phylogenetic markers in Azospirillum brasilense［J］. Antonie van Leeuwenhoek， 2015， 107（6）：1501-1517.

［11］Cecagno R， Fritsch TE， Schrank IS. The plant growth-promoting bacteria Azospirillum amazonense：genomic versatility and phytohormone pathway［J］. Biomed Research International，2015， 2015：898592.

［12］Prinsen ECA， Michiels K， Vanderleyden J， et al. Azospirillum brasilense indole-3-acetic acid biosynthesis：evidence for a nontryptophan dependent pathway［J］. Mol Plant Microbe Interact，1993， 6：609-615.

［13］Imperlini E， Bianco C， Lonardo E， et al. Effects of indole-3-acetic acid on Sinorhizobium meliloti survival and on symbiotic nitrogen fixation and stem dry weight production［J］. Applied Microbiology and Biotechnology， 2009， 83（4）：727-738.

［14］Repar J， Sucurovic S， Zahradka K， et al. Stress resistance of Escherichia coli and Bacillus subtilis is modulated by auxins［J］. Canadian Journal of Microbiology， 2013， 59（11）：766-770.

［15］Donati AJ， Lee HI， Leveau JH， et al. Effects of indole-3-acetic acid on the transcriptional activities and stress tolerance of Bradyrhizobium japonicum［J］. PLoS One， 2013， 8（10）：e76559.

［16］Van Puyvelde S， Cloots L， Engelen K， et al. Transcriptome analysis of the rhizosphere bacterium Azospirillum brasilense reveals an extensive auxin response［J］. Microbial Ecology， 2011， 61（4）：723-728.

［17］Spaepen S， Das F， Luyten E， et al. Indole-3-acetic acid-regulated genes in Rhizobium etli CNPAF512［J］. FEMS Microbiology Letters， 2009， 291（2）：195-200.

［18］Kochar M， Upadhyay A， Srivastava S. Indole-3-acetic acid biosynthesis in the biocontrol strain Pseudomonas fluorescens Psd and plant growth regulation by hormone overexpression［J］. Research in Microbiology， 2011， 162（4）：426-435.

［19］Malhotra M， Srivastava S. An ipdC gene knock-out of Azospirillum brasilense strain SM and its implications on indole-3-acetic acid biosynthesis and plant growth promotion［J］. Antonie van Leeuwenhoek， 2008， 93（4）：425-433.

［20］Shao J， Xu Z， Zhang N， et al. Contribution of indole-3-acetic acid in the plant growth promotion by the rhizospheric strain Bacillus amyloliquefaciens SQR9［J］. Biology and Fertility of Soils， 2014，51（3）：321-330.

［21］Chalupowicz L， Barash I， Panijel M， et al. Regulatory interactions between quorum-sensing， auxin， cytokinin， and the Hrp regulon in relation to gall formation and epiphytic fitness of Pantoea agglomerans pv. gypsophilae［J］. Molecular Plant Microbe Interactions， 2009， 22（7）：849-856.

［22］Abramovitch RB， Anderson JC， Martin GB. Bacterial elicitation and evasion of plant innate immunity［J］. Nature Reviews Molecular Cell Biology， 2006， 7（8）：601-611.

［23］Navarro L， Dunoyer P， Jay F， et al. A plant miRNA contributes to antibacterial resistance by repressing auxin signaling［J］. Science， 2006， 312（5772）：436-439.

［24］Redman JC， Haas BJ， Tanimoto G， et al. Development and evaluation of an Arabidopsis whole genome Affymetrix probe array［J］. The Plant Journal， 2004， 38（3）：545-561.

［25］Suzuki S， He Y， Oyaizu H. Indole-3-acetic acid production inPseudomonas fluorescens HP72 and its association with suppression of creeping bentgrass brown patch［J］. Current Microbiology，2003， 47（2）：138-143.

［26］Malhotra M， Srivastava S. Stress-responsive indole-3-acetic acid biosynthesis by Azospirillum brasilense SM and its ability to modulate plant growth［J］. European Journal of Soil Biology，2009， 45（1）：73-80.

［27］Duca D， Rose DR， Glick BR. Characterization of a nitrilase and a nitrile hydratase from Pseudomonas sp. UW4 that converts indole-3-acetonitrile to produce indole-3-acetic acid［J］. Applied and Environmental Microbiology， 2014， 80（15）：4640-4649.

［28］Vande Broek A， Gysegom P， Ona O， et al. Transcriptional analysis of the Azospirillum brasilense indole-3-pyruvate decarboxylase gene and identification of a cis-acting sequence involved in auxin responsive expression［J］. Molecular Plant Microbe Interactions，2005， 18（4）：311-323.

［29］Zimmer W， Wesche M， Timmermans L. Identification and isolation of the indole-3-pyruvate decarboxylase gene from Azospirillum brasilense Sp7：sequencing and functional analysis of the gene locus［J］. Current Microbiology， 1998， 36（6）：327-331.

［30］Dimkpa CO， Svatos A， Dabrowska P， et al. Involvement of siderophores in the reduction of metal-induced inhibition of auxin synthesis in Streptomyces spp. ［J］. Chemosphere， 2008， 74（1）：19-25.

［31］Theunis M， Kobayashi H， Broughton WJ， et al. Flavonoids，NodD1， NodD2， and nod-box NB15 modulate expression of the y4wEFG locus that is required for indole-3-acetic acid synthesis in Rhizobium sp. strain NGR234［J］. Molecular Plant Microbe Interactions， 2004， 17（10）：1153-1161.

［32］Vande Broek A， Lambrecht M， Eggermont K， et al. Auxins upregulate expression of the indole-3-pyruvate decarboxylase gene in Azospirillum brasilense［J］. Journal of Bacteriology， 1999， 181 （4）：1338-1342.

［33］Patten CL， Glick BR. Regulation of indoleacetic acid production in Pseudomonas putida GR12-2 by tryptophan and the stationaryphase sigma factor RpoS［J］. Canadian Journal of Microbiology，2002， 48（7）：635-642.

［34］Kang BR， Yang KY， Cho BH， et al. Production of indole-3-acetic acid in the plant-beneficial strain Pseudomonas chlororaphis O6 is negatively regulated by the global sensor kinase GacS［J］. Current Microbiology， 2006， 52（6）：473-476.

［35］ Parsons CV， Harris DM， Patten CL. Regulation of indole-3-acetic acid biosynthesis by branched-chain amino acids in Enterobacter cloacae UW5［J］. FEMS Microbiology Letters， 2015， 362（18）：fnv153.

［36］Yang S， Zhang Q， Guo J， et al. Global effect of indole-3-acetic acid biosynthesis on multiple virulence factors of Erwinia chrysanthemi 3937［J］. Applied and Environmental Microbiology， 2007， 73（4）：1079-1088.

［37］Koul V， Adholeya A， Kochar M. Sphere of influence of indole acetic acid and nitric oxide in bacteria［J］. Journal of Basic Microbiology， 2015， 55（5）：543-553.

［38］Koul V， Tripathi C， Adholeya A， et al. Nitric oxide metabolism and indole acetic acid biosynthesis cross-talk in Azospirillum brasilense SM［J］. Research in Microbiology， 2015， 166（3）：174-185.

［39］Leveau JH， Lindow SE. Utilization of the plant hormone indole-3-acetic acid for growth by Pseudomonas putida strain 1290［J］. Applied and Environmental Microbiology， 2005， 71（5）：2365-2371.

［40］Scott JC， Greenhut IV， Leveau JH. Functional characterization of the bacterial iac genes for degradation of the plant hormone indole-3-acetic acid［J］. Journal of Chemical Ecology， 2013， 39（7）：942-951.

［41］Zuniga A， Poupin MJ， Donoso R， et al. Quorum sensing and indole-3-acetic acid degradation play a role in colonization and plant growth promotion of Arabidopsis thaliana by Burkholderia phytofirmans PsJN［J］. Molecular Plant Microbe Interactions，2013， 26（5）：546-553.

［42］Mendes R， Garbeva P， Raaijmakers JM. The rhizosphere microbiome：significance of plant beneficial， plant pathogenic， and human pathogenic microorganisms［J］. FEMS Microbiol Rev，2013， 37（5）：634-663.

（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Indole-3-acetic Acid-mediated Cross-kingdom Signalling Involved in Plant-bacteria Interactions

YANG Yang1GAO Ke-xiang2WU Yan1LIU Xiao-guang1
（1. Institute of Life Sciences，Jiangsu University，Zhenjiang 212013；2. Department of Plant Pathology，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018）

As the most common and naturally-occurring phytohormone of the auxin class，indole-3-acetic acid（IAA）involves in regulating many aspects of plant growth and development. The studies revealed that in nature，not only plant may synthesize the IAA，but also a variety of microorganisms including both phytopathogens and plant growth-promoting bacteria possess the ability of producing the auxin phytohormone inducing plant diseases or promoting plant growth. Interestingly，apart from being the secondary bacterial metabolite interfering the hormone homeostasis of host plants，IAA can also be a signaling molecule modulating gene expression and physiology in bacteria，consequently regulating the plant-bacteria interaction through integration into the complex regulatory network in bacteria. This review provides insights into the recent research progresses on IAA biosynthesis pathways and its regulations in bacteria，IAA-mediated control of bacterial gene expression，physiology and behavior，as well as the interaction with host plants varying from pathogenesis to phytostimulation. The review also highlights that IAA can not only modulate the plant growth，development and defense，but also act as cross-kingdom signal molecules playing a critical role in the regulation of the plant-microbe interactions. The review aims to develop novel strategies for the improvement of the plant-growth promotion and tolerance to both biotic and abiotic stresses by further studying and better understanding of the IAA-mediated crosskingdom signalling mechanisms and genetically manipulating the bacterial IAA signal pathways.

indole-3-acetic acid（IAA）；bacterial IAA biosynthesis；IAA genetic regulation；plant-bacteria interactions

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.08.003

2015-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31240046），公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503110-12）

楊揚(yáng)，男，碩士研究生，研究方向：微生物；E-mail：1016861992@qq.com

劉曉光，女，博士，教授，研究方向：植物微生物有益互作；E-mail：xgliu66@yahoo.com