iMeta | 林雁冰/James M. Tiedje/谷洁等揭示菌群对寄生植物列当的调控作用

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微生物群落对于寄生植物—列当（Orobanche cumana）寄生的调控作用

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/imt2.31

●2022年6月13日，西北农林科技大学生命科学学院林雁冰教授团队在iMeta在线发表了题为“Microbial community roles and chemical mechanisms in the parasitic development of Orobanche cumana”的研究型文章。

● 该文章针对根寄生杂草—向日葵列当（Orobanche cumana）的生物防治进行研究，提出了微生物群落结构影响列当寄生，并且根据微生物群落功能分析与生物标记物预测，找到两株细菌可以显著改变寄主根系列当寄生数量，并对其化学调控机理进行研究。

●  第一作者：席娇，雷蓓蕾

●  通讯作者：林雁冰([e-mail])，James M. Tiedje ([e-mail])，谷洁([e-mail])

●  合作作者：刘永鑫, 丁赞博,  刘佳茜,  徐腾起, 侯丽君,  韩思琦,  钱勋, 马永清, 薛泉宏, 高锦明

●  主要单位：西北农林科技大学生命科学学院，密歇根州立大学微生物生态学中心

亮   点

● 向日葵根际微生物可以影响寄生性杂草的生长

● 细菌代谢物可以促进向日葵列当（Orobanche cumana）种子的萌发

● 通过分子对接方法筛选诱导寄生植物萌发的化学物质

关键词：Cyclo(Pro-Val), 向日葵列当, 寄生植物, 根际微生物, 向日葵

视频解读

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Youtube：https://youtu.be/wGqFv3MQM-E

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成果简介

向日葵列当(Orobanche cumana Wallr.)是一种专性寄生杂草，列当种子在向日葵根际分泌物独角金内酯类似物的诱导下，萌发并产生吸器组织。它可以与向日葵根系维管束连接，吸收寄主的营养物质及水分，进行发育生长，从而导致向日葵产量下降和质量损失。然而，在同一个农田里，列当的寄生数量明显不同。一些宿主的根部被严重寄生，而另一些则没有被寄生。造成这种现象的原因是什么呢？根际微生物是否发挥调节作用？

为了探究微生物对列当的影响，我们根据列当寄生数量，对其进行分类，分别为健康组H，轻微寄生组PL，中度寄生组PM，严重寄生组PS。对根际土壤微生物群落进行扩增子分析，表明不同寄生数量的向日葵根际微生物群落结构具有明显差异。其中Xanthomonadaceae（黄单胞菌科）在严重寄生中被富集。

对健康的向日葵和列当严重寄生的向日葵根际微生物进行功能注释，发现13个EC和67个KO在H和PS组间存在显着差异。且在PS中丰度较高的酶主要参与氨基酸代谢、碳水化合物代谢和脂质代谢。将KO通路和酶与前10的菌对应，结果显示共同聚类到这三个属（Lysobacter溶杆菌，Variovorax多嗜菌，Pseudomonas 假单胞菌属）。其中Lysobacter，Variovorax这两个属在PS中丰度较高的，分别具有产抗生素和降解纤维素的作用。而Pseudomonas是在H中丰度较高，前人研究表明，与列当茎腐病，抑制列当寄生相关。那么，是否是这些细菌影响了列当的萌发与寄生呢? 我们用传统细菌分离培养法，在相对应的土壤中筛选得到了5株细菌，Lysobacter antibioticus HX79、Pseudomonas mandelii HX1、P. brassicacearum subsp. neoaurantiaca HX134、P. chlororaphis subsp. chlororaphis HX140和Variovorax paradoxus GB8。通过盆栽实验表明，HX79促进列当萌发，可作为列当自杀萌发诱导剂降低列当寄生。同时也发现HX1具有抑制列当寄生的作用。由于目前对抑制列当萌发的研究较少，机理尚未清晰。因此我们从列当萌发刺激物质的研究入手，对促进列当萌发的菌株HX79的代谢组进行测定，筛选相对丰度top 50的代谢物进行分子模型预测。以OcKAI2d2作为受体蛋白，利用代谢物的羧基碳原子和色氨酸91位的亲核氧原子反应进行建模，碳原子和氧原子距离小于3.5埃时，认为具有促进列当萌发的特性。利用此模型，我们筛选出3种化合物环二肽（Cyclo(Pro-Val)），2-脱氧肌苷（2¢-deoxyinosine）和2-羟基腺苷（2-hydroxyadenosine），并且购买到标准品进行种子萌发实验，结果表明三种物质均具有促进列当萌发的作用，最适浓度为10M。且Cyclo(Pro-Val)的萌发率与HX79无细胞发酵滤液的萌发率相近，约40%。同时，为了验证我们预测的结果是否准确，我们还购买了模型预测显示无萌发刺激活性的化合物2’-脱氧胞苷（2'-Deoxycytidine）用来进行种子萌发实验，结果显示，该物质不能促进种子萌发。这也说明我们这一模型预测较为准确，可用于其他寄生性杂草，如瓜列当的寄生研究中。

西北农林科技大学生命学院席娇博士与雷蓓蕾副教授共同为论文的第一作者，西北农林科技大学林雁冰教授、James M. Tiedje教授和谷洁教授为论文的共同通讯作者。该研究得到中央高校基本科研专项资金（2452019183和2452021163）和西北农林科技大学人才队伍建设专项资金和学科建设专项资金的资助。

主要结果

图1 在列当的不同寄生程度中，根际微生物群落存在差异

(A) 根据列当在向日葵根部的寄生数量，分为四个组：健康组（i，无寄生），轻微寄生组（ii，1-25株），中等寄生组（iii，26-50株），和严重寄生组（iv，大于50株）。(B) CPCoA显示在Bray–Curtis距离中，四个组微生物群落存在差异。(C) Xanthomonadaceae和Microscillaceae在不同组的相对丰度及Spearman相关性分析(Wilcoxon test, r: Spearman correlation coefficient, P < 0.05). (D) 基于最佳多元回归模型，列当寄生数量(Num)和土壤理化性质对微生物群落组成的影响，圆圈大小代表变量的重要性，颜色代表Spearman的相关系数。

图2 H组和PS组的共现网络分析和功能聚类分析

(A) 共现网络由在H和PS组中相对丰度高于0.01%的属水平物种构建。(B) Circos plot显示了ECs、KOs功能和top 10属水平细菌之间的关系。红线代表的ECs对应于细菌，蓝线代表的KO功能对应于KEGG酶，灰线代表对应于细菌的KO功能。热图由MetaStats分析得到的数据绘制（q-value < 0.05），热图的外围显示PS组，内圈显示的是H组。

图3 细菌对列当萌发和寄生的影响

5株细菌（HX1、HX79、HX134、HX140和GB8）的无细胞发酵滤液、水（阴性对照）和GR24（阳性对照）对列当萌发(A)和芽管生长(B)的影响。(C) 加入HX79和HX134后，列当种子d 萌发照片。(D) 盆栽实验中，添加5株细菌对列当寄生数量的影响。出土率（红色数字）代表出土数与所有寄生的列当总数比。CK：土壤中含列当种子，但没有添加细菌发酵液；NK：土壤中无列当种子，不添加细菌发酵液；GB8、HX1、HX134、HX140和HX79：在生长期间，土壤中含列当种子和相应的细菌发酵液；preHX79：土壤中含列当种子，并于提前一个月添加发酵液，但在生长期间不添加。不同的字母表示组间的显著差异（n = 13，Kruskal-Wallis检验，*P < 0.05，*** P < 0.001）。

图4 HX79的三种代谢化合物的分子对接模型及其对列当种子发芽率的影响

Cyclo(Pro-Val) (A), 2¢-deoxyinosine (B), and 2-hydroxyadenosine (C)的化学结构以及与列当KAI2d2蛋白配体的结合口袋。催化三分体残基显示为粉红色，代谢物为青色，所有的氢键都是隐藏的。参与关键相互作用的原子之间的距离用黄色的虚线表示。(D) 浓度为1M、10M、100M和1000M的三种代谢化合物和一种对照化合物(2¢-deoxycytidine)对列当萌发的影响 (Kruskal-Wallis test，*P < 0.05)。

引文

Jiao Xi, Beilei Lei, Yong-Xin Liu, Zanbo Ding, Jiaxi Liu, Tengqi Xu, Lijun Hou, Siqi Han, Xun Qian, Yongqing Ma, Quanhong Xue, Jinming Gao, Jie Gu, James M. Tiedje, Yanbing Lin. 2022. Microbial community roles and chemical mechanisms in the parasitic development of Orobanche cumana. iMeta 1: e31. https://doi.org/10.1002/imt2.31

作者简介

林雁冰（通讯作者）

●  西北农林科技大学生命科学学院教授、博士生导师，副院长

●2012年在西北农林科技大学获得微生物学博士学位。随后在美国亚利桑那大学做访问学者，现在西北农林科技大学生命科学学院工作，任副院长，主管研究生工作。在Journal of Hazardous Materials、Environmental pollution、Science of The Total Environment、Chemosphere、Applied soil ecology和Land Degradation & Development等国际期刊发表论文10余篇。主要从事植物根际微生物生态、塑料的微生物降解及污染环境的生物修复、植物土传病害的微生态机制等方面的研究

詹姆斯 • 迪杰（通讯作者）

●密歇根州立大学杰出教授，2003年当选为美国国家科学院院士，2021年当选为中国科学院外籍院士

● 2010年荣获中国科学院爱因斯坦讲席教授，2016年被聘为中国科学院南京土壤研究所荣誉教授，2018年被聘为Pedosphere期刊荣誉主编，2022加入iMeta顾问委员会。Tiedje院士长期致力于微生物生态、生理及其多样性、环境污染物的生物降解和抗生素抗性基因的研究，被誉为现代微生物生态学之父，创建了国际微生物生态学学会；被授予美国科学促进会、微生物学会、土壤学会和农学会Fellow，获联合国教科文组织Finlay奖；先后发表700多篇学术论文，其中20多篇论文发表在Science、Nature和PNAS杂志上；被引12.5万余次，H指数高达169

谷洁（通讯作者）

●西北农林科技大学资源环境学院教授、博士生导师

● 享受国务院政府津贴专家，陕西省农业废弃物资源化利用工程技术研究中心主任。主要从事农业废弃物中污染物抗生素、重金属及抗性基因研究，农业废弃物生物腐解和腐解产物资源化利用研究。主持和完成国家及省部级项目30余项，在Microbiome、PANS、Journal of Hazardous Materials等期刊发表论文130余篇，其中SCI收录72篇，被引2328次，H指数25，累计培养博、硕士研究生50余名。

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期刊简介

“iMeta” 是由威立、肠菌分会和本领域数百位华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表原创研究、方法和综述以促进宏基因组学、微生物组和生物信息学发展。目标是发表前10%(IF > 15)的高影响力论文。期刊特色包括视频投稿、可重复分析、图片打磨、青年编委、前3年免出版费、50万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊发行！

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