综述：PGPR介导的植物免疫：从微生物识别到表观遗传引发

《Plants》：PGPR-Mediated Plant Immunity: From Microbial Recognition to Epigenetic Priming Dilek Unal, Shahlo Satimova, Durdigul Botirova, Murad Muhammad and Dilfuza Egamberdieva

日益增长的可持续农业需求加剧了对有益微生物作为化学农药生态友好替代品的关注，以用于植物病害防控。其中，植物根际促生菌（PGPR）因能通过分子机制抑制植物病原体并增强植物健康而备受瞩目。近期研究表明，PGPR保护植物免受病害的机制不仅限于直接攻击病原体，还包括通过表观遗传过程改变植物免疫基因的表达模式。本综述整合了植物-PGPR互作中表观遗传调控的现有知识，重点关注DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA通路。PGPR定殖通过模式识别受体（PRRs）、MAPK级联、活性氧（ROS）和植物激素激活植物免疫信号传导。综述还涵盖了细菌信号的范围——包括脂多糖（LPS）、鞭毛蛋白、环脂肽和挥发性有机化合物（VOCs）——这些信号如何启动植物防御，并解释了这些信号的识别如何重塑防御基因处的染色质结构。此外，综述讨论了这些变化如何影响诱导系统抗性（ISR），并审视了关于它们是否可能传递给后代的新兴（尽管仍然有限）证据。更好地理解微生物信号如何调节宿主表观遗传学，可能会揭示提高植物免疫力及平衡生长与防御的新途径。总体而言，现有证据表明，PGPR诱导的表观遗传变化代表了一种有前景且环境友好的作物保护方法；然而，在非模式作物物种中进行田间验证和机制确证仍是必要的，在此策略被视为实际可行之前。

1. 引言

植物病害对全球粮食生产构成重大风险，传统防治依赖化学杀菌剂但伴随环境与安全风险。生物防治作为绿色策略日益受到重视，其中植物根际促生菌（PGPR）因其能自然定殖于根际和内生空间，并通过抗菌化合物合成、营养竞争以及表观遗传途径激活系统抗性而被广泛关注。PGPR不仅能促进植物生长，还能通过DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调控，使植物进入一种“引发”（primed）状态，从而在未来遭受病原体攻击时产生更快更强的响应。本综述旨在填补现有研究空白，将PGPR衍生的分子信号与染色质水平的重编程及免疫记忆的建立联系起来。

2. 模式触发免疫（PTI）

PGPR通过定殖植物根际发挥有益作用，常见的属包括芽孢杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）等。PTI是植物的第一道防线，通过膜定位的模式识别受体（PRRs）识别保守的微生物相关分子模式（MAMPs/PAMPs）。识别事件触发多层信号级联，包括细胞质钙浓度升高、活性氧（ROS）爆发以及丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联的磷酸化。这些信号汇聚于转录重编程，激活WRKY、ERF、MYB和bZIP等转录因子家族，进而诱导病程相关（PR）蛋白积累、植保素合成以及细胞壁木质素和胼胝质的沉积。PTI的特征在于基因激活的时间波次，这为后续的表观遗传引发奠定了基础。

3. 系统免疫

系统免疫包括系统获得性抗性（SAR）和诱导系统抗性（ISR）。SAR主要由水杨酸（SA）介导，依赖于ICS1途径合成的SA积累，促使NPR1蛋白从胞质寡聚体转化为核单体，并作为共激活因子招募TGA转录因子激活PR基因（如PR-1、PR-2、PR-3）表达。SAR信号转导涉及甲基水杨酸（MeSA）、壬二酸、甘油-3-磷酸（G3P）和N-羟基哌可酸（NHP）等移动代谢物的长距离运输。相比之下，ISR主要由PGPR通过茉莉酸（JA）和乙烯（ET）信号通路诱导，不依赖于SA。ISR的关键特征在于防御引发，即建立不活跃的信号结构和增强JA/ET通路敏感性，使得关键转录因子（如MYC2、ERF1、ORA59）在后续病原体挑战时能更快激活防御基因，而无需承担组成型防御的代谢成本。

4. 细菌激发子与识别

ISR的诱导依赖于植物根系对有益细菌的识别，涉及多种细菌激发子，如脂多糖（LPS）、鞭毛蛋白、铁载体和挥发性有机化合物（VOCs）。这些分子作为免疫调节剂，在不触发全面防御激活的情况下引发免疫准备状态。植物通过受体样激酶（RLK）家族（如FLS2、BIK1）感知这些信号。例如，枯草芽孢杆菌产生的表面活性素类脂肽和挥发性化合物2,3-丁二醇可诱导ISR。值得注意的是，植物能够区分有益菌与病原菌，这种辨别取决于信号浓度、暴露时间和生理背景。持续的低水平信号暴露倾向于促进ISR建立，而高强度信号则更多关联直接防御激活。

5. 植物-PGPR互作中的表观遗传机制

PGPR定殖触发的MAPK和ROS信号可通过表观遗传机制稳定下来，主要包括三个层面：

5.1 DNA甲基化：在CG、CHG和CHH序列环境中，通过RNA指导的DNA甲基化（RdDM）途径（涉及Pol IV、Pol V和DRM2）进行从头甲基化，或通过ROS1等DNA糖基化酶/去甲基化酶进行主动去甲基化。PGPR定殖常导致防御基因启动子区低甲基化（hypomethylation），便于转录因子结合，而在转座子区域则可能发生CHH超甲基化以维持基因组稳定性。

5.2 组蛋白修饰：PGPR影响组蛋白乙酰化和甲基化动态。激活型标记如H3K9ac和H4K5ac的积累，以及抑制型标记H3K27me3的移除，有助于建立开放的染色质结构。组蛋白乙酰转移酶（如GCN5、HAC1）和去乙酰化酶（如HDA19）在此过程中起关键作用。此外，染色质重塑ATP酶（如BRM、SYD）和组蛋白变体H2A.Z的置换也参与调控。

5.3 非编码RNA介导的调控：小干扰RNA（siRNA）通过RdDM途径引导DRM2靶向防御位点。长链非编码RNA（lncRNA）可作为支架招募染色质重塑复合物。microRNA（如miR396、miR393）也参与调控，例如，荧光假单胞菌处理可下调miR846从而激活JA信号通路。

5.4 表观遗传机制间的串扰：DNA甲基化、组蛋白修饰和ncRNA形成相互连接的调控网络。例如，CMT3识别H3K9me2以维持CHG甲基化，而SUVH酶则在DNA甲基化依赖的背景下促进H3K9me2积累。

6. MAMP/PAMP驱动的染色质重编程

病原体或微生物相关分子模式（PAMPs/MAMPs）的识别不仅是转录输出的驱动因素，也与染色质重塑过程整合。MAMP感知驱动组蛋白乙酰化、抑制性标记的去除以及H3K4me3的沉积，从而在WRKY70等关键免疫调节因子处建立转录引发的染色质状态。转座子（TEs）在这一过程中扮演重要角色，ROS1介导的邻近防御基因的转座子去甲基化使其更易接近，维持防御位点的启动状态。PGPR定殖通过引入额外的激发子信号，扩展了这种染色质准备状态。

7. PGPR衍生激发子与表观遗传引发

PGPR释放的激发子（如脂肽、VOCs）通过PRRs激活ISR和SAR，其特点在于建立一种双向且持久的表观遗传状态。与BABA或MeJA等化学引发剂不同，PGPR介导的引发代表了植物与微生物之间的生物整合过程。这种整合体现在生长-防御平衡上：PGPR诱导的表观遗传重编程将防御基因维持在“启动但未完全激活”的状态，避免了代谢成本。然而，目前的文献存在菌株特异性矛盾、实验室与田间观察差异以及跨代遗传证据不足等局限性。

8. 未来展望

当前的证据基础主要源于拟南芥和蒺藜苜蓿等模式植物，其在农作物和田间条件下的转化相关性尚未得到验证。未来的研究应优先采用单细胞ATAC-seq和亚硫酸氢盐测序等先进技术，解析PGPR定殖根组织中的染色质重编程空间分辨率。此外，需要针对作物物种和田间条件，验证表观遗传标记的持久性以及跨代免疫引发的可能性，并探索dCas9为基础的表观基因组编辑工具在作物中的应用潜力。

9. 结论

PGPR诱导的表观遗传调控是一种环境可持续的策略，通过DNA甲基化动态、组蛋白修饰和非编码RNA三个相互依赖的层面重编程防御相关基因座的染色质景观。尽管这一机制在模式植物中已得到阐明，但在将其转化为稳健的农业应用之前，仍需在多样化的寄主物种、PGPR菌株和农艺条件下进行进一步的确认。