完美共生：近期植物微生物组研究频发顶刊 | 热心肠日报

今天是第1440期日报。

Science综述：利用根际微生物组提高作物抗旱和产量

Science[IF:41.037]

① 几乎没有证据表明微生物的耐旱机制与植物生长的功能性状之间存在关系；② 根系分泌物的速率和组成改变会触发营养物质的微生物矿化，从而影响植物的抗旱恢复；③ 对干旱有反应的微生物代谢产物多是植物免疫激素的前体；④ 肠道和植物根系相似之处可能为控制根际微生物群落的干旱效应性状提供有针对性的研究;⑤ 了解土壤微生物影响植物干旱耐受性和恢复的机制，为使作物生产系统具有更强的抗旱能力提供了巨大潜力。

Harnessing rhizosphere microbiomes for drought-resilient crop production
04-16, doi: 10.1126/science.aaz5192

【主编评语】尽管人们对植物选择根际微生物群落的机制有了更多的了解，也对微生物群落对植物生长和适应性的反馈有了更多的了解，但我们对于田间农作物在干旱条件下这些机制的了解仍然有限，本文从干旱响应特征、植物信号、微生物机制、益生菌、初级和次级植物代谢物等方方面面讨论可能的抗旱机制，不管是将来为利用根际微生物组增加作物生产对干旱的适应性铺平道路，还是为使作物生产系统具有更强的抗旱能力提供了巨大潜力，亦或为提高植物对水分胁迫的适应能力开辟新的研究途径，总之都是为了抵御胁迫，增强农作物对自然气候的适应能力，最大限度地提高农作物的产量，服务人类社会。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

Science：山东农业大学团队在小麦赤霉病抗性遗传育种研究中取得重要进展

Science[IF:41.037]

① Fhb7的成功克隆为小麦赤霉病及茎基腐病的抗性遗传改良提供了长效、广谱的抗病基因资源；② Fhb7对单端孢霉烯族毒素的解毒功能将有可能解决粮食和饲料中单端孢霉烯族毒素严重污染的问题；③ 本研究首次提供了真核生物间核基因组DNA水平转移的功能性证据，为进一步探索植物抗病基因和基因组进化机制开辟了一条新途径；④ 长穗偃麦草基因组组装工作的完成，为进一步克隆并有效利用E基因组上的优异基因提供了重要的信息资源。

Horizontal gene transfer of Fhb7 from fungus underlies Fusarium head blight resistance in wheat
04-09, doi: 10.1126/science.aba5435

【主编评语】2020年4月9日，山东农业大学孔令让团队在《Science》以 “First Release”的形式发表研究长文（Research Article），成功克隆了来源于长穗偃麦草的抗赤霉病主效基因Fhb7, 揭示了其抗病分子机理和遗传机理，并成功应用于小麦育种，在小麦抗赤霉病育种中取得了重大突破。同期，《Science》也刊登了该工作的点评文章。据相关数据统计，这是我国小麦研究领域首篇Science文章，也是我国小麦重要功能基因研究首篇CNS文章。该研究团队经过20年的持续研究，首先发现小麦近缘植物长穗偃麦草7E染色体长臂末端携带抗赤霉病主效基因，并将其命名为Fhb7，随后成功将该抗病基因转移至栽培小麦品种，明确了其在小麦抗病育种中的稳定抗性和潜在的应用价值。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

Science：生物固氮在农业研究中的未来

Science[IF:41.037]

① 在非洲很普遍的贫瘠土壤中，仅需一点氮肥就可以大幅提高产量，但化肥对于小农户来说既稀缺又昂贵；② 用豆类作物轮作不足以支持足够的谷物产量，谷物是氮素需求量较大的作物；③ 未来的研究方向主要包括：通过植入关键酶—固氮酶的基因，把谷物变成肥料工厂；对谷物进行工程改造，以便使它们可以模拟在豆类和其他豆类中发现的与固氮细菌的这种共生关系；④ 在某些条件下，用微生物处理农田的成本仅为施用氮肥的1%，而且减少环境污染。

The nitrogen fix
2016-09-16, doi: 10.1126/science.353.6305.1225

【主编评语】本文首先描述了氮素对于植物生长尤其是人类食用的谷物的重要性，即氮是重要生物分子(包括氨基酸，蛋白质的组成部分)中的关键成分，在贫瘠的土壤中，即使是少量增加谷物可利用的氮量，也能将产量提高几倍。然后提到了氮肥施用的两大困扰，1.利用效率低下，过度施用，其能引起种种问题，比如：多余的氮素会污染饮用水、影响气候、消耗化石燃料；2.对于贫瘠土壤的非洲小农户来说，化肥既稀缺又昂贵。最后提出未来的研究方向，两大解决方案分别为，1.将固氮酶（基因）加入到谷物中，2.让谷物成为固氮细菌的宿主，使其建立共生关系。文中详细分析了其可行性及解决办法，尽管有所收获，然而仍困难重重，但未来可期，至少科学家是充满信心的，毕竟正如华盛顿盖茨基金会农业发展项目官员凯瑟琳·卡恩(Katherine Kahn)所说，这就是我们愿意投资于高风险科学的原因，潜在的回报是如此之高。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

PNAS：多年多点5千样本鉴定玉米根际可遗传微生物

PNAS[IF:9.58]

① 按照所有根际微生物样品中共有OTU的标准，鉴定了7种OTUs作为核心微生物组，其中3种α变形菌纲，两个β变形菌纲，两个γ变形菌纲；② 对于给定的相同天气条件，古菌和细菌类群往往产生相同的变化样式；③ 年龄是影响根际微生物组最大的因素，然后是种植地，最后才是植物遗传因素；④ 在不同的植物年龄和种植地的条件下，基因对微生物组的影响程度是存在差异的；⑤ 玉米品系总体的基因型差异并不能预测其根系微生物组的差异。

Large-scale replicated field study of maize rhizosphere identifies heritable microbes
2018-06-25, doi: 10.1073/pnas.1800918115

【主编评语】在2013年，作者在PNAS中发表了一篇有关玉米根系微生物组的文章。使用27个玉米品系的500个样品。发现微生物的多样性与植物的基因型相关。基于那文章，2018年，他们又在PNAS上发表了第二篇玉米根系微生物组的文章，该文章中作者对玉米根系微生物组进行了多年、多点的大规模的研究，收集了近5,000个样品，从500到5,000的扩展对样品处理具有挑战性，生物信息学分析也非常具有挑战性，因为有超过5亿条16S序列，最终作者确定了143种可遗传的OTU。此外，该团队还确定了一个核心根际微生物组，并且研究了植物年龄、种植地和天气等条件对微生物组的影响。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

Nature子刊：南土所贾仲君组-稻田甲烷氧化的微生物机制

Nature Communications[IF:11.878]

① 土壤是强温室气体CH4的生物源，而在大气中只有大约1.84 ppmv(part per million by volume)极低的浓度；② “高亲和力”甲烷氧化（HAMO）活性的恢复力和持久性取决于高浓度甲烷的周期性供应和随后的消耗；③ 当细胞受到饥饿、营养缺乏或缺乏还原剂等环境胁迫时，对甲烷氧化菌来说，PHB代表了一种内源性的还原力来源；④ II型甲烷氧化菌比I型甲烷氧化菌更能耐受环境胁迫；⑤ 水稻土中高浓度的甲烷被消耗后，才能诱导大气甲烷的氧化。

Conventional methanotrophs are responsible for atmospheric methane oxidation in paddy soils
2016-06-01, doi: 10.1038/ncomms11728

【主编评语】中国科学院南京土壤研究所贾仲君课题组解析了湿地土壤氧化大气甲烷的机制，发现传统甲烷氧化菌，而不是未知的难培养微生物在大气甲烷氧化过程中发挥了主要作用。针对干湿交替的水稻土，课题组提出了宏转录组水平的微生物群落关联技术理念MTWAS（metatranscriptome-wide association study），从数以千亿计的遗传信息中，解析了水稻土甲烷氧化过程的微生物代谢调控网络。研究结果表明：高浓度甲烷刺激是水稻土氧化大气低浓度甲烷的前提条件，MTWAS分析则发现传统甲烷氧化菌利用高浓度甲烷过程中，合成了能量物质PHB，极有可能利用PHB氧化大气甲烷，结合高通量功能基因检测和稳定性同位素示踪DNA技术，巧妙排除了难培养大气甲烷氧化菌的贡献。这一结果得到了审稿专家的高度评价，认为是温室气体排放领域的突破性成果、令人惊奇的发现，为全球甲烷和碳循环、气候变化的计算模拟提供了新视角。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

中科院遗传发育所周俭民组发现细菌效应蛋白在植物细胞内诱导免疫受体ZAR1寡聚

Molecular Plant[IF:10.812]

① 植物细胞内拥有众多的NLR类抗病蛋白，用于识别病原微生物分泌的效应蛋白，激活免疫反应，从而保护自身免受侵害；② AvrAC能够在植物细胞内诱导ZAR1形成大约900 kDa分子量的复合物，这与之前报道的体外ZAR1抗病小体分子量相似；③ AvrAC和HopZ1a诱导原生质体中拟南芥NLR蛋白ZAR1的寡聚；④ 抗病小体的体外组装的结构要求对于HopZ1a诱导的ZAR1的体内寡聚化和植物的抗病性也很重要，从而提供了ZAR1抗病小体在免疫激活过程中在体内形成的证据。

Bacterial effectors induce oligomerization of immune receptor ZAR1 in vivo
03-16, doi: 10.1016/j.molp.2020.03.004

【主编评语】清华大学柴继杰团队、中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民团队和清华大学王宏伟团队合作成功的在体外组装了激活形式的ZAR1复合物抗病小体（https://www.mr-gut.cn/papers/read/1052233578），解析了第一个植物NLR抗病蛋白激活前后的结构, 研究成果以两篇论文形式发表在“Science”杂志上。然而，在植物体内病原微生物效应蛋白是否能够诱导抗病蛋白复合物的形成还不清楚。2020年3月16日，Molecular Plant在线发表中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民课题组题为“Bacterial effectors induce oligomerization of immune receptor ZAR1 in vivo”的文章，报道了细菌效应蛋白可以在植物细胞内诱导免疫受体ZAR1寡聚的新发现。本研究首次发现了效应蛋白在植物细胞内诱导抗病蛋白寡聚，并证实了抗病小体参与了不同效应蛋白诱导的植物抗病，对解析植物抗病蛋白激活的分子机制有重要的意义。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

谁说N素含量高就不固氮了

Ecology Letters[IF:8.699]

① 本研究旨在解决森林演替如何调控固氮作用，并探索这种调控的潜在机制；② 提高C的可用性对固氮菌的潜在影响可能大于底物N富集和P限制的潜在影响，这可能会在整个演替过程中推动N的固定(化学计量学假说)；③ 在整个演替过程中，N固定受资源化学计量(即C: N和C: (N: P))的影响，而不是受N或P的影响；④ 有关演替理论中N固定的传统观点和假设可能已经忽略了基质C可用性的重要性；⑤ 在演替过程中，底物的化学计量驱动N固定率的增加。

Substrate stoichiometry determines nitrogen fixation throughout succession in southern Chinese forests
2019-12-04, doi: 10.1111/ele.13437

【主编评语】本研究更新了我们先前对最高固氮率发生在早期或中期演替森林(土壤受到N限制)中的认识，提出了森林演替通过改变资源化学计量数而不是单一资源来刺激固氮，强调了在整个森林动态中，固氮速率同时受底物C，N和P共同控制，即基质化学计量比单个养分可以更好地预测固氮速率。揭示了在整个演替和林龄中驱动N固定的关键机制，即与底物N和N：P相比，不稳定的底物C的迅速增加，有利于固氮菌生长，并有助于了解长期存在的氮素反常现象，即富含土壤氮的热带森林维持着氮素循环的上调。总之，本研究强调了生态化学计量学在阐明森林演替和氮循环耦合机制中的作用。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

南农沈其荣团队综述根系-土壤-微生物互作

Current Opinion in Microbiology[IF:6.916]

① 根际被认为是植物的第二基因组，是根系-土壤-微生物相互作用研究的热点；② 根际复杂的互作表明三方互作的所有成员(植物根、土壤和微生物)都可以被操纵或设计成有利于植物的方向，以实现可持续的农业收益；③ 群体猝灭已被提议作为一种针对植物病原体的新型生物防治策略；④ 根际微生物能释放多种信号分子来影响其植物宿主，增强抗逆性或耐受性，促进根系发育和植物生长；⑤ 根际微生物群落的结构是根-土-微生物相互作用的结果。

The unseen rhizosphere root–soil–microbe interactions for crop production
2017-04-21, doi: 10.1016/j.mib.2017.03.008

【主编评语】根相关微生物之间的相互作用比土体土壤中微生物之间的相互作用更复杂，根际被认为是植物的第二基因组，是根系-土壤-微生物相互作用研究的热点。植物的根际具有通过被管理从而增加农作物的产量的潜力，其植物根、土壤和微生物都可以被操纵或设计成有利于植物的方向，以实现可持续的农业收益。尽管在了解根际中复杂的网络方面取得了很大的进步，但我们的了解仍处于起步阶段，我们的大部分见解均来自于模式植物，而对主要作物的研究才刚刚开始。这篇综述将介绍根-土壤-微生物相互作用尤其是其在农作物根际的最新研究进展，并鉴于此提出了增加农作物产量的潜在策略。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

替代固氮酶在非共生固氮中可能的贡献

Soil Biology and Biochemistry[IF:5.29]

① 固氮酶具有三种同功酶:典型形式钼(Mo)-固氮酶，替代固氮酶钒(V)和铁(Fe)固氮酶;② R比值是乙炔还原(AR)速率与N2固定率的比值(C2H2还原/N2固定)，替代固氮酶在培养中显示出低的R比；③ 导致R值低于2的唯一的原因是通过V-固氮酶或Fe-固氮酶固定N2，因此，培养物中的低R比(R <2)似乎表明了替代固氮酶的活性；④ Mo-和V-固氮酶基因在微宇宙实验中得到表达；⑤ 公布的R比表明了土壤中替代固氮酶的活性。

Possible contribution of alternative nitrogenases to nitrogen fixation by asymbiotic N2-fixing bacteria in soils
2013-12-03, doi: 10.1016/j.soilbio.2013.11.015

【主编评语】固氮酶，其具有三种同功酶:钼(Mo)-固氮酶，这是该酶的典型形式，和钒(V)及铁(Fe)的固氮酶，有时被称为替代固氮酶，迄今为止，所知的所有能固定N2的细菌都具有Mo-固氮酶，但只有一部分细菌同时具有V-固氮酶或Fe-固氮酶的基因，或者两者兼而有之。替代(V-和Fe-only)和经典的(Mo-)固氮酶对自然环境中氮气固定的相对贡献在很大程度上仍是未知的。这里作者结合化学和分子方法检查它们在陆地生态系统中扮演的角色。衡量环境中N2固定速率的常用方法有两种：同位素标记的氮15饲喂法，乙炔还原法，因都有各自的缺点，因此作者使用R比对这两种方法得出的测量结果进行比较，且对开发R比(定义为R=乙炔还原速率/固氮酶的氮气固定率)作为研究自然生态系统中替代性固氮酶可能作用的工具做了一些工作。（@刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组）

感谢本期日报的创作者：刘永鑫-中科院遗传发育所-宏基因组

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