《Microbial Biotechnology》：Plant Immunity–Activating Endophytic Bacteria Induce Dynamic Metabolic Changes in Cultured Plant Cells Without Inhibiting Their Growth
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本文推荐研究揭示了植物免疫激活内生菌（如Delftia sp. BR1R-2和Pseudomonas sp. RS1P-1）与培养植物细胞（烟草BY-2和拟南芥T87细胞）共培养的新策略，通过物理接触激活植物防御反应（如JA/ET信号通路），显著诱导抗菌化合物（如乙酰苯酚类物质和色氨酸）积累，且不抑制细胞生长。该策略为利用微生物共培养高效生产高价值植物化学物提供了新途径。
引言：培养植物细胞生产高价值化合物的新策略
植物细胞培养因其生长快速、不受气候影响等优势，成为生产植物源活性化合物（如酚类和萜类）的重要平台。然而，培养细胞中次级代谢物合成基因的表达水平通常较低，限制了目标产物的产量。近年来，微生物与植物细胞共培养策略通过细胞间相互作用有效激活代谢通路，但细菌共培养常因抑制植物细胞生长而应用受限。本研究聚焦于植物免疫激活内生菌，这类细菌能激活植物免疫却不抑制宿主生长，为代谢工程提供了新思路。
实验方法：多维度解析细菌-植物细胞互作
研究采用烟草BY-2细胞和拟南芥T87细胞为模型，与三种植物免疫激活内生菌（Delftia sp. BR1R-2、Pseudomonas sp. RS1P-1和Arthrobacter sp. BR2S-6）进行共培养。通过测定细胞鲜重和Evans Blue染色评估细菌对植物细胞生长和死亡的影响；利用高效液相色谱（HPLC）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析代谢物变化；通过RNA测序（RNA-seq）技术解析基因表达谱；采用UniWells共培养装置（0.6 μm滤膜分隔）探究物理接触的必要性。
结果1：内生菌共培养不抑制植物细胞生长且诱导代谢重编程
与植物病原菌Pectobacterium carotovora和大肠杆菌Escherichia coli不同，内生菌BR1R-2与BY-2细胞共培养96小时后，未引起植物细胞死亡或生长抑制（鲜重无显著变化），但细胞颜色变为赭色，提示代谢变化。HPLC分析显示，共培养后BY-2细胞中N-咖啡酰腐胺（N-caffeoylputrescine）含量下降，而多个乙酰苯酚苷类化合物（峰值3-6）显著积累，其中峰值6化合物经LC-MS/MS鉴定为丁烯内酯苷或二羟基乙酰苯酚苷。此外，共培养细胞提取物对植物病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000表现出显著抗菌活性，商业乙酰苯酚（如3′,4′-二羟基乙酰苯酚）验证了该类物质的抗菌功能。
结果2：转录组揭示防御通路与代谢枢纽的协同激活
RNA-seq分析发现，BR1R-2共培养上调了BY-2细胞中1,600余个基因（FC > 4, FDR < 0.001）。GO富集分析显示，这些基因显著富集于防御响应（如响应真菌、细菌）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET）信号通路。KEGG通路分析进一步表明，"氨基糖和核苷酸糖代谢"（ko00520）通路被激活，其中UDP-葡萄糖焦磷酸化酶（K00963）基因表达上调8.76倍，为乙酰苯酚苷化提供糖基供体；"苯丙烷生物合成"通路（ko00940）中过氧化物酶基因协同上调，支撑次级代谢物合成。
结果3：物理接触是代谢诱导的关键触发因素
通过细菌组分分离实验，发现BR1R-2的细胞包膜组分可诱导BY-2细胞代谢变化，而胞内和胞外组分无此效应。UniWells共培养实验证实，当细菌与植物细胞被0.6 μm滤膜物理分隔时，代谢变化被完全抑制，表明细菌包膜组分（如脂多糖或鞭毛蛋白）需通过直接接触激活植物模式触发免疫（PTI），进而启动代谢重编程。
结果4：不同内生菌的效应具有菌株特异性
比较三种内生菌发现，Pseudomonas sp. RS1P-1与BR1R-2类似，可诱导BY-2细胞产生乙酰苯酚衍生物（峰值7-8，m/z 195.1），并在拟南芥T87细胞中促进色氨酸（Trp）积累（产量提升10倍）；而Arthrobacter sp. BR2S-6虽不抑制生长，却未引发显著代谢变化。这种差异可能与革兰氏阴性菌（BR1R-2、RS1P-1）的包膜 elicitors 和革兰氏阳性菌（BR2S-6）的分泌型信号分子不同有关。
讨论：内生菌共培养策略的应用潜力与机制展望
本研究表明，植物免疫激活内生菌通过物理接触触发JA/ET介导的防御信号网络，重编程植物细胞代谢流，促进抗菌化合物合成而不牺牲生物量。该策略突破了传统微生物共培养的生长抑制瓶颈，为规模化生产乙酰苯酚（农药和药物先导化合物）及色氨酸（防御物前体）提供了绿色平台。未来研究可聚焦于 elicitors 的精确鉴定及跨物种代谢通路整合，进一步拓展植物-微生物互作在合成生物学中的应用边界。
