根系微生物對植物生長和發(fā)育具有重要作用，其參與植物的營養(yǎng)吸收、病原菌防御和非生物脅迫等重要生理過程。植物將20 ~ 30%光合產(chǎn)物用于根系化合物的合成，但這些化合物是否參與植物與根系微生物的互作過程，是否直接調(diào)控特異種類的根系微生物？這些問題一直沒有明確的答案。
5月10日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究、中國科學(xué)院-英國約翰英納斯中心植物和微生物科學(xué)聯(lián)合研究中心 (CEPAMS) 白洋課題組與John Innes Centre的Anne Osbourn課題組合作在Science上發(fā)表了題為A specialized metabolic network selectively modulates Arabidopsis root microbiota的研究論文。該研究系統(tǒng)解析了擬南芥三萜合成的基因網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)現(xiàn)擬南芥三萜類化合物可直接調(diào)控根系微生物組。
該研究系統(tǒng)地解析了擬南芥中形成基因簇的三萜合成遺傳網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基因在植物根系特異表達(dá)，并具有潛力合成50多種未知的根系化合物（目前能穩(wěn)定檢測到的根系化合物大約300種）。與不能合成三萜的水稻和小麥相比，52%擬南芥特異的根系微生物組被三萜合成基因顯著調(diào)控。通過分離培養(yǎng)的細(xì)菌資源庫與純化/合成的單種或混合化合物共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)三萜化合物直接調(diào)控特異的根系細(xì)菌種類。同時(shí)根系細(xì)菌可以特異性修飾和利用擬南芥三萜化合物。該研究為利用植物天然化合物促進(jìn)根系益生菌在綠色農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
擬南芥三萜化合物特異調(diào)控根系微生物組
Anne Osbourn組博士后黃安誠和白洋組博士研究生姜婷為共同第一作者，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、中國科學(xué)院-英國約翰英納斯中心CEPAMS白洋研究員和John Innes Centre的Anne Osbourn教授為共同通訊作者。白洋組工程師劉永鑫、助理研究員曲寶原參與了本項(xiàng)目。
專家點(diǎn)評
羅杰 教授（海南大學(xué)）
種類繁多的植物次生代謝物廣泛參與植物之間及植物與環(huán)境之間的相互作用，在植物演化及其環(huán)境適應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用。根際微生物對于植物的生長及其適應(yīng)性的作用已經(jīng)廣為人知，但是對于植物如何調(diào)控根際微生物卻知之甚少。
三萜類化合物是植物中種類最多，結(jié)構(gòu)最為多樣的一類次生代謝物，在植物防御、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面發(fā)揮重要功能，同時(shí)具有抗菌活力。近年來的研究表明催化形成三萜化合物不同步驟的合成基因在基因組中形成基因簇，并可能參與植物對于根際病原微生物的抗性，提示由這些基因簇催化形成的三萜化合物可能參與擬南芥根際微生物組的調(diào)控。擬南芥基因組中有4個(gè)在根中特異表達(dá)的合成三萜類化合物的基因簇，但是其生化及生理功能尚不知曉。
來自中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究，中國科學(xué)院-英國約翰英納斯中心植物和微生物科學(xué)聯(lián)合研究中心(CEPAMS)白洋課題組與John Innes Centre的Anne Osbourn課題組合作解析并重構(gòu)了擬南芥根特異表達(dá)的三類不同三萜化合物的基因網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步的研究表明，上述基因簇功能缺失突變體與野生型植物相比根際微生物組的種類和多樣性都發(fā)生了明顯的變化。通過與不能合成這些三萜的水稻和小麥的比較研究，揭示了擬南芥三萜合成的基因網(wǎng)絡(luò)能夠富集擬南芥特異性的根際微生物組。為了進(jìn)一步研究這些三萜化合物是否直接調(diào)控根際微生物組，通過分離培養(yǎng)的根際微生物資源庫與純化或合成的單種或多種混合化合物進(jìn)行共培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些三萜化合物直接調(diào)控特異的根系細(xì)菌種類。
該研究為研究根際微生物對植物生長和健康的影響、植物根際微生物組的調(diào)控及其在綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/364/6440/eaau6389
