Cell Host & Microbe | 重磅！Schulze-Lefert团队揭示根系分泌香豆素与微生物互作改善植物铁营养！
近日，德国马克斯普朗克植物育种研究所Paul Schulze-Lefert院士课题组（近5年37篇高水平文章！Paul Schulze-Lefert院士团队在先天免疫和植物菌群领域取得重大进展！Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）在权威期刊Cell Host & Microbe发表了题为Root-Secreted Coumarins and the Microbiota Interact to Improve Iron Nutrition in Arabidopsis的研究论文，该研究表明在铁限制条件下，植物分泌的香豆素是植物与微生物群落相互作用的有利媒介。这些特殊的代谢物改变了根系微生物群落的组成，是微生物群落介导的植物铁吸收和免疫调节所必需的。
植物的生长得益于与不同的根部定殖微生物群落的联系（Nature | 重磅！Jeff Dangl团队揭示微生物组中的单一细菌属维持根的生长；Cell | 微生物也玩儿跨界：根系微生物间互作有利于拟南芥的生存）。破解这些益处的机制对于提高植物生产力具有重要意义（Current Biology | 新观点：根际微生物通过关键代谢物塑造群落的时空发展与农业生产力）。本文研究了拟南芥和根系微生物群落在缺铁情况下的植物-微生物相互作用，这种相互作用依赖于植物衍生的香豆素的分泌。破坏这一途径会改变微生物群落，并损害植物在铁限制性土壤中的生长。此外，微生物群落通过依赖于植物铁导入和分泌香豆素的机制改善限铁植物的性能。这种有利的性状是菌种特性，但在微生物群落的系统发育系中却具有功能冗余。转录组和元素分析表明，微生物和香豆素之间的这种相互作用通过缓解铁饥饿来促进植物生长。这些结果表明，香豆素通过引起微生物辅助铁营养来改善植物性状。扮演就提出，由分泌的香豆素刺激的根部细菌微生物群落是植物适应铁限制性土壤的一个不可或缺的媒介。
植物的根部由来自周围土壤的各种微生物群落组成，统称为根系微生物群落。这些群落的结构是由土壤的环境因素和根系分泌的光合剂和次生代谢物所决定的。根系微生物群落为植物提供了间接的保护，以抵御土壤传播的病原真菌，并被认为可以通过提高营养物质的生物利用率来改善宿主的营养。然而，植物能在多大程度上选择性地改变其微生物区系，并利用这些有利的特性来应对营养胁迫还不清楚。
铁是植物必不可少的矿物质养分，在许多生物过程中起着催化剂的作用，包括光合作用和呼吸作用。虽然铁在大多数土壤中是一种丰富的元素，但由于其在中性和碱性pH值下的溶解度极低，其生物利用率往往受到限制，如在含有高比例碳酸钙的石灰性土壤中。铁的缺失会导致植物生长受阻和叶片枯萎，并导致约30%的可耕地的作物产量和养分含量下降。因此，改善植物铁营养具有很大的经济利益。在铁限制条件下，非禾本科植物，如A.thaliana，在FER-LIKE IRON DEFICIENCY INDUCED TRANSCRIPTION FACTOR(FIT)和一系列相关的bHLH型转录因子的协调下，启动铁饥饿反应。这种反应通过H+-ATP酶AHA2的根系酸化和质膜蛋白FRO2将铁(III)还原为更易溶的铁(II)来提高铁的溶解度。铁(II)通过IRON-REGULATED TRANSPORTER1(IRT1)导入根表皮。
香豆素的分泌，从一般的苯丙酸途径衍生的酚类次生代谢物，也是由铁饥饿诱导的，被认为是通过直接动员顽固的铁存储来促进植物铁营养。三种主要的香豆素化合物在拟南芥中通过线性生物合成途径产生（图1A）。香豆素的分泌最近被证明会影响人工石灰土壤和合成培养基中根系微生物群落的结构。然而，香豆素分泌对不同矿质养分利用率的土壤中根系微生物群落的影响以及对植物生产力的影响仍未确定。
图3. 分类学上多样化的根状茎提高了限铁植物的性能
图5. 植物的生物合成和分泌香豆素是微生物群落介导的生长救援的必要条件
图6. 补充香豆素可恢复微生物群落介导的f6h1和s8h植物的生长拯救
图7. 细菌协同蛋白能改善植物铁营养，缓解铁中毒反应，并以香豆素依赖性的方式调节防御基因