Plant Cell Environ | 根际细菌诱导植物生长促进的代谢特征
2022-07-14
中科新生命
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根际是植物根系周围和受其影响的狭窄区域，含有大量对植物生长和健康具有有害或有益影响的微生物，其中有益根际微生物包含促进植物生长的根际细菌(PGPR)。PGPR可以增强植物对病原体和昆虫食草动物的防御能力，同时促进植物生长。了解植物代谢网络及其相互作用对理解和优化根际细菌介导的生长促进和诱导系统抗性至关重要。尽管一些报道表明，根际细菌改变了特定种类的植物代谢物，但它们对植物整体代谢组的总体影响，特别是对植物生长促进过程中发生的核心代谢途径的影响，目前尚不清楚。
2022年6月，荷兰瓦赫宁根生态研究所团队在Plant Cell Environ 上发表了题为“Metabolic signatures of rhizobacteria‐induced plant growth promotion”的文章。该文主要使用植物代谢组学技术研究了不同根际细菌属的三个菌株对三种植物的表型和幼苗代谢组的影响，确定了促进生长的根际细菌靶向的核心代谢途径，并为利用根际细菌将植物代谢向有价值的天然植物产物的生物合成倾斜提供了新的途径。
研究材料 幼苗
技术路线 步骤1：根际细菌诱导的植物表型变化研究； 步骤2：促进生长与根系定殖的关系研究； 步骤3：幼苗代谢组研究； 步骤4：芸苔科植物有效和无效伙伴关系中的代谢物特征； 步骤5：类黄酮途径在植物生长促进中的重要性研究。
研究结果 1. 根际细菌诱导的植物表型变化研究 作者选择了三种植物包括拟南芥（模式植物）、西蓝花（作物）和青蒿（药用植物），分别在根尖处接种不同根际细菌属的三个菌株Paraburkholderia graminis PHS1 (Pbg) 、Microbacterium EC8 (MB) 、Pseudomonas fluorescens SS101 (Pf SS101)，这些根际细菌在不同植物中均表现出促进生长和保护病原菌的作用，然后评估三种特定根际细菌属菌株诱导的植株生长的变化。文中将根际细菌与植物相互作用分为“有效伙伴关系”（根际细菌促进植物生长）和“无效的伙伴关系”（根际细菌不会促进植物生长或减少生长）。结果发现根际细菌对植物生长促进作用具有种属特异性。如与未经处理的对照组相比，Pbg-青蒿的生物量增加了近五倍，被认为是最有效的伙伴关系。根尖接种P. fluorescens strain PfSS101后可显著增加拟南芥和青蒿的幼苗生物量（分别为63.1%±4.7和38.7%±6.3），根尖接种PfSS101可显著降低西兰花幼苗生物量(-22%±2.6)。接种MB只会显著增加拟南芥的幼苗生物量，对青蒿和西兰花幼苗和根系生物量均无显著影响（图1）。
图1不同植株接种根际细菌后的表型变化
2. 促进生长与根系定殖的关系研究
在上述分析中，根系定植是在植物生长到11天时进行的。对于拟南芥、西兰花和青蒿，Pf SS101和Pbg建立的根上的群体密度差别较小。而MB的定殖在不同植物种类间差异较大，如在拟南芥根上的种群密度为7.5±0.5*106 CFU mg-1，而在青蒿根上的种群密度低于检出限。通过根际种群密度与特定植物表型（即生物量）之间的相关性分析发现引入的根际细菌菌株的根际种群密度和幼苗/根系生物量之间没有明显的总体相关性。如在西蓝花中，所有三种根际细菌菌株的根定殖水平相似，但植物表型差异很大：Pbg诱导幼苗生物量显著增加，而Pf SS101诱导幼苗生物量显著减少，MB对幼苗生物量则没有显著影响。
3.幼苗代谢组研究
采用液相色谱-质谱(LC-MS)联用的分析方法，研究了3个根际细菌菌株对拟南芥、青蒿和西兰花中幼苗代谢组的影响，分别检测到725、868、1908个代谢物，且在每种植物中分别至少有64%、52%、49%占比的代谢物在两种根际菌处理之间存在显著差异。其中接种Pbg对青蒿和拟南芥的幼苗代谢组的影响最大，分别代表了最有效和最无效的伙伴关系。此外，大部分差异代谢物是接种Pbg的植物所特有的。在西兰花中，与PfSS101的无效伙伴关系占代谢产物上调的比例最大，而与Pbg的有效伙伴关系占代谢产物下调的比例最大（图2）。
图2 根际细菌介导的幼苗代谢组的变化
4. 芸苔科植物有效和无效伙伴关系中的代谢物特征
由于拟南芥和西兰花都属于芸苔科植物，因此对不同根际细菌在拟南芥和西兰花幼苗中引起的代谢组变化进行了比较分析。硫代葡萄糖苷（GLS）是根际细菌处理后发生变化的代谢产物之一。GLS在有效和无效伙伴关系中的累积模式不一致，如在拟南芥中，与Pf SS101的有效伙伴关系提高了脂肪族长链GLS的相对水平，然而，Pf SS101和西兰花之间的无效伙伴关系的特征是吲哚GLS和短链脂肪族GLS水平的增加。
另一方面，在不同的植物-根际细菌组合中，苯丙素途径的某一分支的改变显示出与生长促进(有效伙伴关系)或缺乏生长促进/抑制生长(无效伙伴关系)共存。如在拟南芥-Pbg和西兰花-PfSS101之间的无效伙伴关系中，类黄酮的积累明显增加，而在拟南芥-PfSS101之间的有效伙伴关系中，类黄酮的丰度没有显著变化（图3）。
图3苯丙素类化合物在根际细菌-宿主中的依赖性变化
5. 类黄酮途径在植物生长促进中的重要性研究
作者进一步研究了Pbg对12个等基因纯合子拟南芥透明种皮(tt)突变体生长的影响，这些突变体在类黄酮途径不同分支的生物合成中的基因被破坏。在没有Pbg的情况下，观察到在类黄酮途径的初始步骤被破坏的突变体显示出与WT Col 0相似的幼苗生物量，并且比许多在该途径的下游步骤被破坏的突变体表现出更高的幼苗生物量。接种Pbg导致12个突变体之间的幼苗新鲜生物量发生显著变化，且Pbg在这些突变试验中确实对Col 0的生长有轻微的促进作用。在所有的分析中，Pbg处理的植物表现出明显的胁迫迹象，例如叶片中花青素含量的升高。有趣的是，Pbg对类黄酮途径下游部分的突变体具有较强的促生长作用，尤其是对PA分支的突变体，表明PA分支在Pbg介导的生长促进中起着关键作用（图4）。
图4类黄酮在根际细菌介导的生长促进中的作用
小结
综上所述，文章使用了三种植物和三种根际细菌的组合，并对幼苗样本进行了植物代谢组学的分析，发现检测到的大部分代谢物（50%–64%）受到根际细菌的不同影响，且苯丙素途径是三种植物物种中根际细菌的靶向途径。苯丙素类途径不同分支的差异调节显示与植物生长促进或生长减少相关，如类黄酮生物合成的抑制与生长促进有关。
