【原】中国科学：拟南芥二半萜类化合物调控根系微生物组

2019年5月10日关于王国栋组和白洋组二半萜化合物对微生物组调控的文章发表于《中国科学》，新闻稿如下：

• 中国科学：中科院遗传发育所揭示拟南芥二半萜对根系微生物组的调控机制

同一天由白洋组负责菌群部分关于拟南芥三萜化合物调控根系微生物组的研究发表于美国科学(Science)杂志，新闻稿如下：

• 专家点评Science：中英合作揭示拟南芥三萜化合物特异调控根系微生物组

本文对《中国科学》二半萜的工作进行中文要点解读。

摘要

陆生植物与根系微生物共分化出多样的植物特异代谢物(PSMs)。在自然环境下，植物与根系微生物平衡互作是植物生存必须的。宿主对微生物组的控制在植物健康中的作用得到重视。PSMs在植物与微生物互作中可能起重要作用。然而，PSMs对根系微生物组的作用，尤其是新进化的PSMs功能仍然不清楚。本研究，我们发现拟南芥的二半萜由最近形成的PT-TPS基因簇新功能化合成。其中单个氨基酸的取代对于十字花科植物获得二半萜活性至关重要。此外，我们发现缺少两类根系特异的二半萜(化学结构相似)会显著影响植物根系微生物组。我们的结果不仅表明植物根系微生物组对PSMs敏感，也获得了植物通过动态进化的PSMs来调控根系微生物组成的完整框架。

结果

拟南芥中进化出新的二半萜基因簇

Evolutionarily New Sesterterpene Gene Clusters in Arabidopsis thaliana

图1. 十字花科中广泛共线性的TPS-GFPPS-P450基因簇

Figure 1 Brassicaceae-wide synteny of TPS-GFPPS-P450 gene clusters.

A. 异戊烯转移酶萜类合成酶(prenyltransferase-terpene synthase, PT-TPS)在拟南芥中的基因簇结构和对应的化合物结构。拟南芥基因组中5个假定的二半萜C25基因簇，均位于3号染色体。GGPPS5 (At3g14510)是一个假基因。虚线点代表此处有多个基因。下面展示了四个化合物的结构。

B. 十字花科用于共线性分析生产简化的分析系统发育树(左)。已知的α和β两轮基因组复制，分子共线性分析TPS-GFPPS-P450基因簇(青色TPS，橙色GFPPS，浅绿P450)，来自10个十字花科，和醉蝶花科的基因组。染色体片段用灰柱代表，基因用暗绿色的砖。TPS18-GFPPS1, TPS19-GFPPS2, TPS25-GFPPS3, 和TPS30-GFPPS4基因簇用红框表示。N.A.代表十字花科lineage III目前没有可用物种。

单个氨酸取代决定二半萜的特异性

A Single Amino Acid Determines the Substrate Specificity of sesterTPSs

图2. 十字花科植物二半萜特异的底物

Figure 2 Substrate specificity of sesterTPSs from brassicaceae plants

A. 来自13个植物物种的246个TPS蛋白的进化历史。可以看到主要分为TPS-a, TPS-b/g 和 TPS-c/e/f三大类。基于500次的bootstrap计算自展支持率，其中大于75%的值展示于结点上。28个假定的蛋白为十字花科特异。16个TPS蛋白为二半萜活性，12个TPS蛋白无二半萜活性，分别标为红点和黑点。拟南芥的4个二半萜簇标为额外的星。

B. 氨基酸序列比较，4个TPS蛋白与3个已知结构同源蛋白比较

C. 底物特异的突变体和对应的产物检验情况

拟南芥二半萜表达的组织特异性

Tissue Specificity of Sesterterpenes in Arabidopsis thaliana

图3. 四个拟南芥二半萜的特征

Figure 3 Characterization of four sesterTPSs in Arabidopsis.

A. RC-qPCR分析拟南芥不同器官中两个GFPPS-sesterTPS基因簇的表达量。样本收获自8周植物和2周幼苗。转录水平相对于Actin2基因，n = 3。

B. 基因在叶肉原生质中的亚细胞定位和Confocal显微成像

C. 在拟南芥8个不同器官中二半萜的浓度

D. 根中在单、双突变体中二半萜含量，误差棒代表标准误，n = 3，F.W.代表鲜重

二半萜调控微生物组成

Sesterterpenoids Modulate the Composition of Root Microbiota

因为根系特异的化合物3和4随着根系发展而积累量增加，我们检测这些二半萜化合物对根系微生物组调控的效应。我们在人工气候室条件下，将拟南芥野生型(wild-type, Col-0)和突变体—(包括TPS25、TPS30基因的二半萜合成突变体tps25-1, tps25-2, tps30-1, tps30-2, tps25/tps30-1, 和 tps25/tps30-2)种植于自然土壤中(北京昌平农场)。每个植物的基因型，我们进行三次独立的生物学重复。每个生物学重复种植于4-5个独立的小盒中，每个小盒包括4个植株。野生型Col-0和突变体在收获时表现健康(附图11)。

附图11. 的野生型与二半萜突变体的表型

Fig. S11. Phenotypes of sesterTPS mutants and Col-0 when grown in natural soil (Changping farm in Beijing) under climate control conditions.

在温室条件下，自然土中生长，土壤来源于北京昌平农场

我们发现TPS25、TPS30基因功能缺失突变体影响微生物群落组装。有监督的排序表明野生型与突变体间存在显著差异(图4A，9.28%的解释率，P < 0.001，附图12)。基于Bray-Curtis距离的层级聚类也显示野生型和突变体(包括单突和双突)形成明显不同的簇(图4A/B)。重要的是，tps25、tps30和双突均在两个独立来源的株系(independent mutant lines)中结果一致。这些不同突变体与野生型间差异的OTU也显著相似，在相同基因型中44-79%的比例相同(图4C)。这些差异的OTU主要属于Proteobacteria, Actinobacteria, Firmicutes, Acidobacteria, Planctomycetes和 Verrucomicrobita(图4D)。这些差异仅在分类学较低的层面存在，在高级如门水平没有显著差异(附图13/14)。值得注意的是，TPS25和TPS30突变体影响根系微生物组存在相似的样式有两个独立的证据：第一，tps25, tps30突变体在聚类上形成紧密的簇(图4A/B)；第二，不同突变体与野生型差异的OTUs也存在很高比例的一致(图4E、附图15)。这一趋势也进一步被tps25/tps30双突的结果确认(图4E)。综上所述，TPS25和TPS30影响根系微生物组的组装；此外，不同突变体调控相似类群的微生物组暗示了新形成的二半萜基因簇影响根系微生物组群落结构可能存在类似的机制。一个可能的解释是TPS25的产物(化合物3)和TPS30产物(化合物4)存在相似的化学结果，即五环形结构：化合物3是5/5/5/6/5五环二半萜结果，化合物4是5/4/7/6/5五环的二半萜(图1A)。

图4. TPS25和TPS30缺失功能突变体对微生物组有相似的影响

A. 基于Bray-Curtis距离有监督的主坐标轴分析表明突变体存在与野生型不同的群落结构。不同形状代表不同批次。

B。基于Bray-Curtis距离的层级聚类 图展示主要分为三大类。第一类为野生型，第二类为单突，第三类为双突。

C. 独立生物学重复间比较，呈现显著的上调或下调的OTUs一致性规律

D. 差异OTUs在门水平的组成种类饼形图，中心展示OTUs数据，颜色块面积表示数量相对比例

E. 单突与以双突比较共有和特有的下调或上调OTUs。其中共有上调OTUs显著多于共有下调OTUs。

附图12. 每个基因型的α/β多样性

Fig. S12. Sample diversity (α/β-diversity) measurements among each genotype.

(A) 观测的OTUs种类(丰富度)。(B) 香农指数，考虑丰富度和均匀度的综合数据。(C) Chao1指数，考虑出现1或2频次的OTU数据，值一般大于Observed OTUs。箱线图展示分布。

(D) Bray-Curtis 距离和 (E) Weighted Unifrac距离的主坐标轴分析展示样本主要差异。按基因型着色和标记形状，各组样本量 Col-0 (n = 14); tps25-1 (n = 15); tps25-2 (n = 15); tps30-1 (n = 15); tps30-2 (n = 14); tps25/tps30-1 (n = 15); tps25/tps30-2 (n = 13).

附图13. 堆叠柱状图展示门水平的相对丰度

Fig. S13. Stack plot showing relative abundance distribution of the OTUs in phylum.

A. 各样品按组分面展示门水平相对丰度

B. 各样品各组均值展示门水平相对丰度

变形菌门划分为5个纲。只有0.1%以上丰度的门或纲展示为图例颜色。

附图14. 突变体间差异OTUs的重叠情况

采用曼哈顿图展示在tps25-1 (A), tps25-2 (B), tps30-1 (C) and tps30-2 (D)与野生型根部相比富集(实心上三角)或下调(下三角)的OTUs

在目层面，有两个以上差异OTUs的就被采用灰色背景高亮显示，并标注目名称。

总结

陆生植物不段的制造新的化合物分子适应植物环境互作的选择压力。本研究中，我们发现在拟南芥中最新复制形成的GFPPS-sesterTPS基因簇合成二半萜类化合物。我们进一步提供了遗传证据表明根系特异的二半萜显著影响根系微生物的组装(图4A，9.28%变异)。我们的结果表明代谢基因(簇)的功能分化提供了强大的调控根系微生物组的机制。除了二半萜，植物产生无数的其它萜类(C10, C15, C20, C30)和其它类的植物特异代谢物(生物碱、多酚和其它化合物)。因此，将来有必要对每类化合物对根系微生物的影响进行深入研究。我们的工作为PSM调节根系微生物组提供了长期的目标，将应用于植物健康和产量的提高。