科研 | Nature子刊：根系分泌物和微生物底物偏好驱动根际微生物群落组装模式
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在自然环境下，植物根与土壤微生物之间的相互作用对植物生理健康至关重要。由于这种植物根与土壤微生物之间相互作用的共同进化性和重要性，越来越多的文献假设道植物可能通过调控根际环境来促进根际微生物的生长从而提高植物在特定生态系统中的适应性。本文的研究人员采用比较基因组学和代谢组学结合的方法探究了燕麦生长过程中根系分泌物的化学演替与从微生物基因组序列预测的代谢底物偏好性的相互作用，观察到根际细菌对植物分泌的芳香有机酸具有偏好性，这一发现为根际微生物群落组装驱动模式提供了机理基础。
论文ID
原名：Dynamic root exudate chemistry and microbial substrate preferences drive patterns in rhizosphere microbial community assembly
译名：根系分泌物和微生物底物偏好驱动根际微生物群落组装模式
期刊：Nature microbiology
IF：14.174
发表时间：2018年
通信作者：Kateryna Zhalnina
通信作者单位：Environmental Genomics and Systems Biology Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA.
实验设计
实验土壤为加利福尼亚大学霍普兰研究和推广中心的草地土。实验人员选择草地优势种燕麦作为实验对象来分离相关的土壤细菌和测量植物渗出物。实验使用了前人总结的在同一土壤中生长的燕麦的细菌动态数据对要分离的细菌的动态反应进行分类，从289个不同的分离株中，选择了39个株进行了基因组测序。燕麦在特定的并且定期更新的水培培养箱中进行培养，对发育阶段分别为苗期(3周)、营养期(6周和9周)和衰老期(12周) 的植株的根系分泌物进行收集，冻干保存，随后测定这些根系分泌物中的TOC。培养基中加入与土壤浓度一致的被溶解的根分泌物，随后进行过滤消毒并接种单个菌株或者全部菌株。定量测定了未接种培养基(对照样品)和分离接种处理培养基中TOC的浓度，TOC浓度在培养基中的变化被用作微生物增长的一个指标。从冻干渗出液中提取代谢物和细菌培养基中提取代谢产物，随后对它们进行质谱分析。最后用上述分析过基因组的细菌数据构建模型。
实验内容
1 燕麦生长过程中根际细菌的分离
利用不同浓度、营养成分、抗氧化剂、维生素和辅助因子组成的培养基以及延长培养时间，共分离出289种异养细菌并对其进行了系统发育特征分析。这些分离出来的细菌在门水平上分类为七种，主要是Actinobacteria和Alphaproteobacteria（图1）。根据土壤相对丰度和系统发育情况，其中39株进行了全基因组测序并根据之前所做的环境微实验数据将其分为积极响应组（n=19，相对丰度随植物生长而增加，主要由Proteobacteria和少量的Actinobacteria组成），消极响应组（n=8，相对丰度随植物增长而减少，主要由Actinobacteria和Firmicutes组成）（图2）。
图1 显示289株土壤异养细菌及其来源(培养基类型)间系统发育关系的分枝图
图2 土壤中细菌菌株对燕麦生长的响应
2 不同组的细菌的基因组具有不同的特征
大多数对植物生长表现出积极反应的细菌的世代时间更长，意味着它们的基因组具有较慢生长速度的特征。积极响应组细菌中的编码有机酸转运体的基因明显多于消极响应组。同样，编码氨基酸转运体的基因数量在积极响应组的细菌中有较高的丰度。而编码糖苷水解酶(GH)的基因在消极响应组细菌的基因组中更为丰富。这些结果表明，积极响应组和消极响应组细菌的基因组具有不同的特征，这些特征表明这两组细菌之间底物利用潜力具有差异性。
图3 根据对植物根系生长的响应分为两组的细菌的选择性状在基因组中的分布
3 植物发育过程中燕麦根分泌物的代谢谱分析
燕麦根系分泌物包含了广泛的代谢物，包括糖、糖醇、核苷酸、核苷、氨基酸、有机酸、脂肪酸、植物激素和相容性溶质。早期发育阶段(第3周)的根系分泌物代谢产物谱与第6-9周以及晚期发育阶段(第12周)不同，而6-9周龄燕麦根系分泌物的代谢谱相似。在发育早期(第3周)，相对于其他发育阶段，蔗糖和高丝氨酸的浓度更高。第6-9周分别是燕麦根系的营养发育阶段，与其他阶段相比这个时间段的根系分泌物释放量最高，在第3周和第-9周之间带芳香环的氨基酸和羧酸的增加幅度最大。在植物衰老过程中(第12周)，季铵盐和植物激素的丰度显著增加。
图4 燕麦根系分泌物在植物发育过程中的变化(第3、6、9和12周)
4 根际细菌对根系分泌物的利用有偏好性
根分泌物代谢产物分为六类化学物质，包括氨基酸(含氨基的有机酸)、核苷酸和核苷、糖、有机酸(不含氨基的有机酸)、季胺和脂肪酸。被分离出来的菌株在根系生长过程中对氨基酸、有机酸、糖和季胺的吸收明显增加。积极响应组和消极响应组的细菌对有机酸和氨基酸的吸收差异最大，积极响应组的细菌比消极响应组的细菌对核苷酸和核苷的吸收更低。这些增强氨基酸和有机酸摄取的观察证实了积极响应组的细菌的基因组中含有更多的编码有机酸和氨基酸转运体的基因。
在101种可被分离出来的菌株消耗的代谢物中，有32种代谢物在积极响应组和消极响应组细菌间表现出显著性差异，13种代谢物在积极响应组和消极响应组细菌之间的代谢物摄取差异超过20%。不同菌株间底物偏好性差异最大的是芳香有机酸。
图5 积极相应组和消极影响组细菌的底物偏好性
5 根据根系分泌物成分和微生物底物利用偏好性预测微生物对根系生长的反应
利用分离菌株的相对丰度及其对根系分泌物代谢产物吸收偏好的数据，可建立主成分回归模型来预测微生物对植物发育的响应，该模型确定了外源代谢产物来源与微生物对根的响应生长之间的密切关系。
结 论
上述结果表明，植物程序化的发育过程会导致根系分泌物化学成分的动态变化。根际的这种化学演替与可以从基因组序列中预测的微生物代谢底物偏好性相互作用。
评 论