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【LorMe周刊】根际微生物调控植物开花时间

来源：花匠小妙招时间：2024-12-21 11:27

作者：朱天祥，南京农业大学硕士在读，主要研究资源调控根际微生物互作

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍根际微生物调控植物开花时间，原文于2018年发表在《microbiome》

导读

植物物候学对生物圈有着至关重要的作用。目前针对植物物候的物理驱动因素（如全球变暖）已有大量研究，但尚未考虑过植物微生物组尤其是根际微生物组对植物物候的影响。有研究指出，根际微生物可以影响植物表型，还可以合成对植物生长和繁殖具有决定性作用的植物激素（如IAA）。这表示存在根际微生物合成植物激素进而调节植物生长发育的可能性。根系分泌物、根际微生物和植物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微生物群落并调控植物表型。本文探究了野生型拟南芥(wt) 和pgr5突变体(pgr5)根系分泌物、根际微生物群落和植物表型之间的相互作用，确立了一个由根际氮循环、根系色氨酸(Trp）分泌及根际微生物合成IAA进而调控拟南芥开花时间的互作网络。研究结果证明了植物的开花时间可能受到根际微生物群落的影响，并对提高作物生产潜力、减缓异常气候对植物的影响有着重要的启发。

主要结果01根际微生物群落延迟拟南芥（wt）的开花时间为了探究连续培养条件下拟南芥自身富集的根际微生物群落是否能够影响开花时间，作者设置了图1a所示的三代连续培养实验（G1、G2、G3），并检测了拟南芥的根际微生物组和植物表型（开花时间、长角果数）。发现在G1、G2期，与对照相比，接种根际微生物群落并不会影响wt的开花时间；在G3期，根际微生物群落显著影响了wt的开花与繁殖过程， wt的开花时间被显著延迟了近三天，长角果数也显著上升。在三代连续培养的过程中，根际微生物群落的多样性（diversity）和丰富度（richness）都在显著下降（图1b）。在门水平上，不同时期微生物组成也存在着差异（图1c）。有研究指出，部分植物的开花时间可能与特定的根际微生物群落有关，植物的根际微生物群落同时也受植物生长阶段的影响。上述研究结果表明在三代连续培养中植物最终富集的根际微生物在调控植物开花方面起着重要作用。

图1 连续培养实验设计和拟南芥根际微生物群落α多样性及门水平相对丰度

01根际微生物群落提前了pgr5突变体的开花时间为了探究根际微生物群落、根系分泌物与开花时间之间的关系，作者使用了拟南芥突变体pgr5（pgr5）进行了三代连续培养实验。与在wt连续培养实验中得到的规律类似，pgr5突变体的表型在接种自身根际微生物（pgr5-M）处理后与对照（不接种根际微生物）相比，在G1、G2期没有发生显著变化。但是在第三代培养中，pgr5-M 处理的开花时间比对照组提前了近 4 天，长角果数量显著降低。研究还表明拟南芥表型变化并不是由根际微生物的多样性引起的，因为 pgr5-M 和 wt-M 处理组的香农指数和丰富度指数在G1-G3期之间没有显著差异（图 1b、c）。
为了探究根际微生物群落、根系分泌物与开花时间之间的关系，作者使用了拟南芥突变体pgr5（pgr5）进行了三代连续培养实验。与在wt连续培养实验中得到的规律类似，pgr5突变体的表型在接种自身根际微生物（pgr5-M）处理后与对照（不接种根际微生物）相比，在G1、G2期没有发生显著变化。但是在第三代培养中，pgr5-M 处理的开花时间比对照组提前了近 4 天，长角果数量显著降低。研究还表明拟南芥表型变化并不是由根际微生物的多样性引起的，因为 pgr5-M 和 wt-M 处理组的香农指数和丰富度指数在G1-G3期之间没有显著差异（图 1b、c）。01稀有根际微生物可能影响开花时间研究发现， WM（野生型拟南芥G3期根际微生物）和PM处理（pgr5突变株G3期根际微生物）在属水平上共有77个属水平的根际微生物的相对丰度存在显著差异。其中41个属在WM中显著富集，36个属在PM中显著富集。并且大多数显著富集的根际微生物是较为稀有的（相对丰度< 1%），表明这些稀有根际微生物可能对拟南芥的开花起着调节作用。WM处理中显著富集的根际微生物主要在根际氮循环和维持植物健康生长方面发挥关键作用。但同时，潜在的反硝化微生物（如Emticicia）和致病型微生物（如Filimonas）在PM 处理中显著富集。作者假设不同品种拟南芥的稀有根际微生物在土壤氮循环水平上的差异导致了开花时间的不同，因此作者在下文中提出了一个新的调控拟南芥开花的分子网络，并进一步将氮的有效性与开花时间联系起来。01微生物功能验证为了明确的证明拟南芥的开花时间与根际微生物群落直接相关。研究者将WM和PM处理的根际微生物接种到三个拟南芥品种中（wt、pgr5突变体和pnsB4突变体）培养。与PM根际微生物处理相比，WM根际微生物处理延迟了所有品种拟南芥的开花时间（图2a），同时显著提高了所有品种枝条的鲜重（图2b）。如果将代表根际微生物群落的土壤悬液进行灭菌处理时，这些效果会消失（图2c、d）。以上结果表明拟南芥的开花时间会直接受到根际微生物群落的影响。WM和PM处理不会直接影响土壤理化性质，但会影响与氮循环有关的基因丰度（图2e-h）和土壤中NH4 + 与NO3 -的量（图3A，3C）。并且相比于WM，PM处理后土壤中生物可利用氮（NH4+/ NO3 -）的含量更低。PM处理中生物可利用氮较低可能是由于反硝化作用相关基因丰度的提高（nirK和 nosZ）和固氮及硝化作用的相关基因（nifH和amoA）丰度的降低导致的（图2e-2h）。此外，与PM相比，WM处理中脲酶活性更高，硝酸还原酶活性更低（图3B，3D），这也可能导致PM处理中生物可利用氮含量更低。有研究指出低硝酸盐水平可以有助于植物开花，而且植物在生物可利用氮充足的条件下会在开花前最大限度的进行营养生长进而延迟开花。因此作者假设根际微生物群落调节土壤氮循环和氮生物利用率导致PM处理出现生物可利用氮缺乏进而更早开花。

图2 G3期根际微生物功能验证

图3 不同处理下根际土中生物可利用氮含量

01WM和PM处理下拟南芥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，研究者通过代谢组学分析在WM和PM处理中共发现了涉及10种代谢途径的34种差异根系分泌物。其中有4条代谢途径在WM处理中上调（图4b）。色氨酸（Trp）及其衍生物以及、酚类和部分羧酸在WM处理中也显著高于PM处理，而氨基酸类物质可以提高根际环境中枯草芽孢杆菌的丰度，这与上述研究中WM处理中枯草芽孢杆菌丰度更高的结果一致。代谢组数据分析结果表明差异根际分泌物塑造了拟南芥的根际微生物群落。

图4 不同处理根系代谢组差异

01IAA通过下调与开花有关的基因来延迟开花时间IAA能够调节植物的生长发育，有研究指出根际微生物可以将色氨酸（Trp）转化为IAA从而促进植物生长。之前的研究中发现Trp及其衍生物在wt的根系分泌物中显著富集，因此微生物产生的IAA可能通过一种新的分子网络模型控制拟南芥的开花时间。WM处理下土壤中的Trp含量降低，IAA含量上升，可能是由其所富集的稀有根际微生物将Trp转化为 IAA导致的（图4c，d）。随后作者在水培体系中添加Trp、5-羟色氨酸(5-HTP)和IAA并记录了各处理的花期来验证拟南芥开花时间延迟是否由微生物产IAA导致。结果显示当80%的对照植株都产生花蕾时，向水培体系中添加5 nM和25 nM IAA会导致wt的抽薹比例降低20-30% (图5a) ，这说明IAA是延迟拟南芥开花时间的直接因素。开花相关基因表达量的变化进一步证明了IAA在调控开花时间中的作用（图5b）。IAA处理导致部分与开花相关基因的相对转录水平的变化，例如GA、春化作用等。并且这种差异在在早期(当10%的对照植物具有花蕾时)、中间(50%)和晚期( 80%)开花阶段都可以观察到。开花相关基因表达量的变化规律与植物光周期通路基因表达量的变化较为一致，其中的多个基因表达量在所有开花阶段都发生了显著下降。岛田（Shimada）等人的研究中发现IAA能够减轻天冬氨酸对拟南芥开花的抑制作用，进而推测IAA可以促进拟南芥的生殖生长。作者的研究首次在微观上证明了IAA是延迟拟南芥开花的重要信号之一。尽管Wagner等人也发现了类似的现象，但未提出任何相关机制。结合早期相关报道，作者的研究清晰的证明IAA会延迟植物的开花，并在没有氮营养限制的条件下作为信号分子更好的调节植物生长。

图5 IAA 通过下调与开花有关的基因来延迟开花时间

结论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组在调节生物地球化学循环、植物生长和物候学中的作用至关重要（图6）。该研究确定了一个新的代谢网络，其中不同品种的拟南芥通过根系分泌物塑造了一个可以将根际环境中的Trp转化为IAA，进而被植物吸收调剂植物开花时间的根际微生物群落。IAA在被植物吸收后能够促进植物生长并进一步刺激根系的Trp分泌，从而以正反馈调节机制进一步影响开花时间。并且根际微生物群落还可以调控植物根际环境中氮代谢影响氮的可利用性进而调控植物的营养生长。该研究结果对理解和建模植物物候学具有重要意义，对于寻求提高作物潜力的生物部门也具有一定吸引力。