一类细菌（贪噬菌属）可通过调控生长素浓度影响植物根际菌落环境，维持植物根部健康生长植物与土壤生物化学环境的相互作用对于陆地生态环境的稳定有重要意义，而且对于植物的健康生长至关重要。复杂的土壤环境中主要包括植物根系组织、非生物环境因素和丰富的微生物群落三方，其中微生物群落根据与植物的关系又分为有益菌和有害菌，这些菌落会随着根际环境的变化调整与宿主的关系,甚至与其他菌落的相互作用，进而影响植物的健康【1】。微生物群落发挥作用可以是直接的分子互作，也可以通过次级代谢产物或信号分子进行调控，例如生长素【2】。由于复杂的土壤环境，多数微生物种群的功能研究起来比较困难，很多隐藏的分子机制也未可知。
2020年9月30日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校植物免疫学专家Jeffery L. Dangl教授团队在Nature上发表了题为A single bacterial genus maintains root growth in a complex microbiome 的研究论文。该研究发现了一类的细菌家族，并揭示了其特定元件降解生长素影响植物根际菌落环境的机制。研究人员首先将土壤中分离的185个种群的细菌人为组合，尝试在培养基上模拟植物根部微生物环境。通过改变盐浓度、温度、磷含量及PH值四个非生物因素，运用16s rRNA测序分析测定植株的根、茎和琼脂部分微生物群落的重组现象，培养基上的结果与无菌土壤中种植的结果类似，证实了培养条件下实验数据的可靠性。通过对微生物群落中不同菌群两两相关性进行细分，分开的四个模块显示出不同群落与植物性状之间存在相关性。进一步分析不同模块菌群对植物发育的影响，猜测模块A菌群中存在一类菌落，减弱其他菌群的根系发育抑制（Root Growth Inhibition, RGI）现象，对于保持植物根部正常发育至关重要。为了确定哪一类菌落可以减弱RGI现象，对模块A的菌落单独分析，确定了广泛分布的贪噬菌属（Variovorax）可以通过与根际环境互作维持根系正常发育，值得注意的是，研究发现该菌落发挥作用并没有对其他促进RGI现象的菌落产生直接抑制作用。Arabidopsis root length is governed by bacteria–bacteria interactions within a community为了研究贪噬菌属维持根系健康的分子机制，比较转录组分析发现生长素合成相关基因GH3.2在存在RGI现象的对照组中显著上调。研究人员猜测有可能贪噬菌属通过抑制其他菌群产生生长素调控根系发育。除生长素信号外，研究人员同时分析了植物激素乙烯和细胞分裂素，以及细菌鞭毛蛋白flg22对RGI的影响，结果发现只有生长素和乙烯信号通路与细菌群落RGI相关，并且可以被贪噬菌属修复。为了进一步研究分子机制，研究人员运用比较基因组学分析鉴定到10个贪噬菌属的特异性位点，其中一个位点Hotspot33与伯克氏菌生长素降解调控元件有30%同源性。已知节杆菌属CL28可以引起植物根系RGI现象，分析贪噬菌属与其共培养时的转录组发现，Hotspot33 位点上调最为显著，因此认为Hotspot33位点含有降解生长素的关键调控元件。另外，研究人员创建了一个贪噬菌属CL14的基因组文库，并且筛选到两个克隆可以降解生长素，分析发现这两个克隆均含有Hotspot33位点。进一步回补和敲除功能验证，确定了贪噬菌属Hotspot 33位点是抑制RGI现象和降解生长素的特异性功能位点。An auxin-degrading operon in Variovorax is required for root development综上所述，该研究经过大规模筛选和功能验证，确定了根际环境贪噬菌属（Variovorax）在植物-微生物-微生物互作网络中的核心地位，并且发现了其调控生长素浓度维持植物根系健康的分子机制，鉴定到广泛分布于其基因组的关键功能位点，加深了我们对根际复杂互作网络的认识。研究结果为开发抗逆、高产作物提供了一种潜在的新策略。参考文献
【1】 Durán, P. et al. Microbial interkingdom interactions in roots promote Arabidopsis survival. Cell 175, 973–983.e14 (2018).
【2】 Brumos, J. et al. Local auxin biosynthesis is a key regulator of plant development. Dev. Cell 47, 306–318.e5 (2018).
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2778-7