根际微生物对植物开花的影响 | 微生物专题

发表期刊：Microbiome

发表时间：2018

影响因子：10.465

研究内容：根际微生物对植物开花的影响

研究对象：根际土壤（6组，每组3个生物学重复）、根际分泌物

研究方法：16S+代谢组

研究背景

气候变化可以改变植物的物候，其对生物圈和地球系统有着至关重要的生物、物理和化学影响。这些物候变化已成为生态学和环境科学的一个重要课题。物候学的变化可归因于多种因素，包括气候变暖，但尚未考虑植物微生物群，尤其是根际微生物群的作用。然而，根际蕴藏着各种各样的微生物群落，它们在植物生长和繁殖中起着关键作用。

众所周知，根际微生物群可以抵御病原体，通过产生植物激素来促进生长，并且可以帮助植物抵御环境的扰动，例如温度、干旱和与气候有关的盐分的异常变化。最新研究表明，根微生物群还可以促进表型可塑性，这对研究气候变化中的植物表型和提高作物产量具有重要意义。一些生长素在植物发育和繁殖程序的建立中具有决定性作用，而它们可以由根际微生物合成，这增加了一种有趣的可能性，即根际微生物群可以通过植物激素的产生来调节植物的生长发育。

尽管研究者们已经在植物微生物群、根系分泌物和植物生长繁殖之间的相互作用的方面取得了重大进展，但是这方面的报道仍然较少。根系分泌物占光合固定碳总量的5-21%，有助于推动根际群落的组成。这些分泌物可能是植物额外的产物，但它们也可能含有信号分子和化学引诱分子。这些分子通过吸收有益的微生物，有助于抵抗病原体，保持水分，合成生长促进激素，并可能影响植物的表型。

植物分泌物、土壤微生物群和植物生理之间的相互作用有可能通过复杂的反馈机制动态影响根际群落和改变植物表型。作者通过研究拟南芥野生型(Wt)和突变型(pgr5)植物根系分泌物、根际微生物和植物生理之间的分子相互作用，发现了一个连接氮循环、色氨酸 (Trp)产生的植物激素IAA和开花时间的分子相互作用网络。这些结果为一个突出的现象提供了证据：植物开花的时间可能受到土壤微生物群的影响。

结果与讨论

1.根际微生物群能延缓野生拟南芥开花

多代实验适应/驯化可用于研究微生物介导的植物生长和繁殖机制。为了验证多代根际微生物群是否能诱导提前或推迟开花时间，作者测定了三代（G1、G2或G3）拟南芥植株接种不同土壤微生物后的表型参数（图1a）。在前两代，野生拟南芥的表型参数在野生型植物根部分离的微生物群（Wt-M处理）中与相应的对照（在灭菌土壤中生长而不添加土壤微生物组）相比没有显著变化。这表明，在灭菌土壤中的植物在前两代中的生长情况与接种活微生物泥浆的灭菌土壤中的植物一样。Wt-M根际微生物群对第三代的开花和繁殖有显著影响。G3-Wt-M组的开花时间明显延迟，大约3天，并且角果数显著增加。拟南芥根际微生物群落的丰富度和多样性随着三代生理变化而呈下降趋势。物种丰富度和多样性指数（Chao1、基于丰度的覆盖率（ACE）、物种数量和Shannon指数）在第二代和第三代之后显著降低（图1b）。第2代和第3代的根际优势菌变形菌门和酸杆菌门的相对丰度比第1代下降了。相反，拟杆菌和蓝藻的丰度在第3代增加了（图1c）。一些早（或晚）开花植物可能与特定的土壤微生物有关，植物微生物群可能与植物不同生长阶段的变化有关。结果表明，第三代筛选出的富集微生物对植物开花时间的调控起着关键作用。

                                        图1

2.根际微生物群提前了pgr5突变体的开花时间

为了更好地理解微生物群落、分泌物和开花时间之间的关系，作者使用了一个拟南芥突变体（用于编码一种新类囊体膜蛋白的PGR5基因），它和野生植物一样生长在营养阶段。pgr5突变体缺乏从铁氧还蛋白到质体醌的抗霉素A敏感循环流动，这是高效光合作用最关键的生理过程之一。由于光合作用的缺陷，pgr5突变体产生了不同于野生拟南芥的分泌物。对于野生型拟南芥而言，pgr5突变体处理组（添加prg5突变体pgr5-M微生物群）的表型与相应对照组(不添加土壤微生物群)在第1代和第2代没有变化。与野生型相比，pgr5-M处理组的开花时间比野生型早了近4天，且角果数显著降低。由于pgr5-M处理组和Wt-M-处理组的Shannon指数和丰富度指数在三个世代中基本上没有差异，因此微生物操作引起的植物繁殖变化可能不是由根际多样性引起的。然而，经过一代进化后，ACE指数发生了变化（图1b）。两个拟南芥品系在每一代中的相对丰度仅略有不同（图1c）。

3.根际稀有微生物可能影响开花时间

微生物门的丰度相对恒定（见上文），但是WM（来自第三代Wt培养物的微生物群）和PM（来自第三代pgr5培养物的微生物群）处理组之间的丰度在较低的分类水平上差异更大。到第3代，77个根际属的相对丰度在WM和PM处理之间存在显著差异，至少有2倍的差异。相对于PM处理，共有41个属在WM处理中富集，36个属在PM处理中富集。大多数富集的根际微生物是稀有的（相对丰度<1%），如Emticicia、Methylobacterium和 Filimonas等，表明这些稀有根际微生物可能对拟南芥开花起到调节作用。稀有微生物可能参与土壤生化过程，并作为植物生长和抗病性的积极调节剂。WM处理中富集的微生物主要在根际氮再生或维持植物生长中起关键作用。事实上，在WM处理中富集的芽孢杆菌可能有助于土壤固氮。然而，潜在的反硝化微生物，如Stenotrophomonas和Emticicia，在PM处理中得到了富集。假设野生拟南芥中与微生物群相关的氮固定和循环增加，以及pgr5突变体中反硝化作用也潜在增加，相对于pgr5突变体这些作用可能有助于延长野生拟南芥的氮生物利用的持续时间。富含PM的植物病原属，如Panacagrimonas和Filimonas，可能也有助于提早开花时间，因为受感染的宿主优先分配资源用于繁殖。在新提出的调控开花时间的分子网络中，将在下面进一步讨论将氮有效性与开花时间联系起来的假说。

4.微生物功能验证

作者明确地证明了开花时间与根际微生物群直接相关。利用第三代pgr5（PM）或Wt培养物（WM）中的微生物群接种3个拟南芥品系（Wt和2个光合器官突变体pgr5和pnsB4，从NADPH到质体醌的循环电子流不足）培养一代。与使用pgr5培养基中的微生物群相比，第三代Wt培养基的微生物群推迟了开花时间，并增加了芽的生长。Wt菌群的加入分别使Wt、pnsB4突变体和pgr5突变体的开花延迟了3.3、5.5和5.7天（图2a）。与添加pgr5菌群处理相比，Wt菌群处理的3个株系的茎鲜重也显著增加(图2b）。

    图2

这些结果清楚地表明，开花时间受根际微生物群的影响。当接种前对土壤泥浆进行灭菌处理时，这种效应消失，说明热稳定的分泌物不能调节拟南芥开花时间（图2c，d）。有趣的是，WM和WM-S（灭菌土壤泥浆）处理的植物之间的差异不是很明显。根据结果这项研究的主要目的是为了确定影响开花时间的其他营养物质（图2）。可以推测灭菌浆中的代谢物对开花时间和植株的生长也有影响。

两种土壤泥浆的加入对土壤pH值、土壤速效钾、速效磷含量无明显影响。添加这两种土壤泥浆不会改变土壤的整体pH值、土壤有效K或P含量、参与C循环的关键基因的丰度、根际β-葡萄糖苷酶或几丁质酶的活性，但会影响与N循环有关基因的丰度（标准化为16s rRNA基因丰度）（图2e-h）和土壤中NH4+（图3A）和NO3-（图3C）的数量。与添加Wt微生物群的处理相比，添加pgr5微生物群后的生物有效N物种浓度通常较低（图3A,C）。与Wt处理组相比，用pgr5微生物群处理的培养物中氮可用性的降低伴随着反硝化（nirK 和 nosZ）基因丰度的增加，以及与固氮（nifH）和硝化作用（amoA）有关的基因丰度的减少（图2e–h）。WM组脲酶活性高于PM组（图3B），硝酸还原酶活性低于PM组（图3D），这可能导致了NH4+和NO3-升高。

图3

一些证据支持这样一个假设，即根际微生物群调节氮循环和生物有效性，导致pgr5处理组的氮缺乏，从而提前开花。低硝酸盐水平可引发开花，但在氮充足的条件下，植物在开花前最大限度地生长。
5.两个拟南芥品系根系分泌物的差异根系分泌物可以作为影响微生物组成的关键底物或信号分子，因此作者验证了拟南芥株系之间分泌物浓度和成分不同的假设。代谢组学分析发现，涉及10种代谢途径的34种分泌物在两组（Wt和pgr5）中不同地释放（图4a中的主成分分析，以及图4b中≥2倍或≤0.5倍的变化和p值<0.05）。10条生化途径中有4条在Wt培养基中相对于pgr5培养基上调（图4b）。胸腺嘧啶是差异最大的分泌物。胸腺嘧啶可被细菌降解，这可能是WM组NH4+含量增加的原因（图3A）。

图4

Trp及其衍生物、酚类和一些羧酸优先在Wt培养基中渗出。Wt培养基中的氨基酸浓度通常较高，这与Wt培养基中枯草芽孢杆菌的较高丰度一致，氨基酸是其化学引诱剂。这些代谢组学结果与渗出物差异影响根际微生物群的假设一致。

6.IAA通过下调开花相关基因延迟开花时间

生长素以多种方式调节植物生长。植物生长素的一个重要组成部分是IAA，它溶于水溶液，质子化后，可以在细胞膜上被动扩散，而不需要特定的转运体。IAA也被认为通过调控胚胎和胚胎后发育的多个方面而具有花诱导信号作用。微生物可以从Trp产生IAA。丰富的根际微生物之一节杆菌已被报道具有产生IAA的能力，有利于植物生长。Trp及其衍生物在Wt分泌物中富集，因此微生物产生IAA可以通过一种新的分子网络控制开花时间。Wt培养物第3代土壤中Trp含量下降，IAA含量增加3.03倍，表明Wt微生物群迅速将Trp转化为IAA（图4c，d）。

通过添加Trp、5-羟色胺酸（5-HTP）和IAA并监测其开花时间，探讨微生物产生IAA延缓开花的可能性。当80%的对照植株有花蕾时，添加5和25nM IAA可使野生拟南芥抽薹比例降低20-30%（图5a），说明IAA是延迟开花时间的直接驱动力。开花相关基因表达的变化进一步支持了IAA在调控开花时间中的作用（图5b）。IAA处理引起开花相关基因相对转录率的变化。组成自主、GA和异构化途径的一些基因的比率发生了显著变化，这些变化在开花的早期（10%的对照植物有花蕾）、中期（当>50%的对照植物有花蕾）和晚期（当>80%的对照植物有花蕾）阶段都可以观察到。基因活性的下调在光周期途径中最为一致，即多个基因在所有开花期都被下调。Shimada等人报道了IAA减轻了阿司匹林对拟南芥花粉生长的抑制作用，推测IAA能促进拟南芥的生殖生长。前期微观研究首次证明IAA是延迟拟南芥开花的一个关键信号，尽管Wagner等人也发现了类似的现象，但没有提出任何相关机制。结合早期的报道，大量证据表明IAA刺激拟南芥花器官的发育，但推迟了拟南芥的开花时间。作者的数据强烈地表明，IAA延缓开花，并且在没有氮限制生长的情况下作为最佳生长条件的信号。

图5

小编说确定根际微生物的群落/功能关系及其与植物生理学的相互作用对于确定植物微生物群在调节生物地球化学循环、植物生长和物候学方面的作用至关重要。该研究发现了一个新的代谢网络，其中分泌物影响植物根际微生物群，然后可以通过产生IAA来调节开花时间，也可以通过影响氮的有效性来影响营养生长。IAA促进植物生长，有望进一步刺激植物分泌，从而以正反馈机制对开花时间产生反向影响。研究结果对理解和模拟植物物候学有着重要的意义，对寻求提高作物潜力的生物技术部门也很有兴趣。相关阅读