PNAS | 根际植保素合成调控细菌对植物的促生长作用

植物根际存在大量细菌和真菌，其组成很大程度上受土壤特性和植物基因型的控制，一般情况下这些根际微生物群落构成稳定【1,2】。目前认为植物与微生物的相互作用是通过根系分泌物进行的【3,4】。根分泌物的组成在植物各基因型之间不同，这为研究植物基因组和微生物组之间的全基因组关联研究(genome-wide association study, GWAS)提供了可能【5】。同时，研究促植物生长(plant growth-promoting, PGP) 细菌的种类和组成，也能反向研究植物根分泌物对PGP细菌的影响。有实验表明，拟南芥在其根际微生物Pseudomonas simiae WCS417作用下显示出鲜重（FW）和根构型变化的巨大差异。然而，尽管经过GWAS筛选了几个候选基因，但其并没有进一步的功能分析【6】。

左图：根际分泌物会影响土壤微生物群落组成 (Annu. Rev. Plant Biol. 2013. 64:807–38)；右图：拟南芥在Pseudomonas simiae WCS417r作用下根结构发生变化 (Plant Mol. Biol. 2016. 90:623–634).

近日，来自德国科隆大学的学者在PNAS发表了题为Root-specific camalexin biosynthesis controls the plant growth-promoting effects of multiple bacterial strains 的研究论文。研究人员设计了一种基于土壤中硫酸酯酶活性的筛选实验，对硫酸酯酶活性变化进行全基因组关联分析后，筛选获得一个CytP450基因，CYP71A27。该研究证实，CYP71A27为新发现的参与植保素（camalexin）生物合成的基因，并阐明了植保素调控多种根际细菌对植物生长的促进作用。

植物与根际微生物互利互惠。研究表明，根际细菌和真菌可利用硫酸酯酶(sulfatase)将硫酸盐从硫酸酯中裂解出来【7】，并将其提供给植物而在植物硫营养中发挥重要作用【8】。因此，硫酸酯酶通常用作土壤生物活性的量度【9】，本文使用微生物硫酸酯酶活性作为定量指标，以了解植物根际微生物群落形成的机制。研究人员获得了172个拟南芥的根际土壤中的硫酸酯酶活性并进行了GWAS。随后鉴定了编码未表征的CytP450，CYP71A27，其在根部特异性表达，并直接参与调控根特异性植保素(camalexin) 的生物合成。

CYP71A27的组织特异性表达。转基因植物CYP71A27 pro::GUS的GUS染色。（A）全株，（B）根和（C）叶；（D）mock，（E）Pseudomonas sp. CH267处理的植物根尖。

基因CYP71A27的缺失导致2种不同且独立的微生物群特异性表型：根际中较低的硫酸酯酶活性和Pseudomonas sp. CH267的PGP作用的丧失。另一方面，对叶病原体的耐受性没有受到影响，这与根系系统中CYP71A27的普遍表达一致。cyp71A27突变体的表型与cyp71A12和cyp71A13的表型相似，而cyp71A12和cyp71A13是植保素（camalexin）合成的已知突变体。重要的是，添加植保素（camalexin）补充了硫酸酯酶活性和Pseudomonas sp. CH267的PGP作用。因此，CYP71A27是根际植保素（camalexin）合成途径中的主要组成基因，有助于调控根际微生物与植物相互作用。

植保素（camalexin）对土壤中硫酸酯酶活性和拟南芥根细菌的PGP效应很重要。（A）Col-0和cyp71A27在Pseudomonas sp. CH267和两株分离自拟南芥根部微生物MPI9和MPI491存在下的FW。（B）Col-0，cyp71A27和pad3在土壤/沙子混合基质中生长2周的硫酸酯酶活性。

综上，该研究开发了通过分析硫酸酯酶活性来评估植物对植物根际微生物组功能的影响，将其用于拟南芥的GWAS，以鉴定影响根际微生物群落的候选基因。对候选基因CYP71A27功能验证表明，其为根中植保素（camalexin）生物合成途径的重要组分，并揭示了植保素（camalexin）在通过根际细菌促进植物生长中的功能。

参考文献：

1. D. Bulgarelli, K. Schlaeppi, S. Spaepen, E. Ver Loren van Themaat, P. Schulze-Lefert, Structure and functions of the bacterial microbiota of plants. Annu. Rev. Plant Biol. 64, 807–838 (2013).

2. R. Zgadzaj et al., Root nodule symbiosis in Lotus japonicus drives the establishment of distinctive rhizosphere, root, and nodule bacterial communities. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113, E7996–E8005 (2016).

3. I. A. Stringlis et al., MYB72-dependent coumarin exudation shapes root microbiome assembly to promote plant health. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 115, E5213–E5222 (2018).

4. K. Zhalnina et al., Dynamic root exudate chemistry and microbial substrate preferences drive patterns in rhizosphere microbial community assembly. Nat. Microbiol. 3, 470–480 (2018).

5. S. Mönchgesang et al., Natural variation of root exudates in Arabidopsis thaliana linking metabolomic and genomic data. Sci. Rep. 6, 29033 (2016).

6. P. C. Wintermans, P. A. Bakker, C. M. Pieterse, Natural genetic variation in Arabidopsis for responsiveness to plant growth-promoting rhizobacteria. Plant Mol. Biol. 90, 623-634 (2016).

7. S. Klose, J. M. Moore, M. A. Tabatabai, Arylsulfatase activity of microbial biomass in soils as affected by cropping systems. Biol. Fertil. Soils 29, 46–54 (1999).

8. M. A. Kertesz, E. Fellows, A. Schmalenberger, Rhizobacteria and plant sulfur supply. Adv. Appl. Microbiol. 62, 235–268 (2007).

9. M. Tejada, M. T. Hernandez, C. Garcia, Application of two organic amendments on soil restoration: Effects on the soil biological properties. J. Environ. Qual. 35, 1010-1017 (2006).