【原】科研 | ISME：植物挥发性有机物“同化”邻近根系微生物群落组成

微生态 2021-04-13

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编译：YQ，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

挥发性有机化合物（VOC）是植物间信号传递的重要物质，其释放可应对生物胁迫（昆虫和病原攻击）和非生物胁迫。C6脂肪酸、类异戊二烯、水杨酸甲酯（SA）均是虫害诱导的植物挥发物（HIPV），而病原感染诱导的植物挥发物（MIPV）包括大麦黄矮病毒诱导的烯己酸甲酯、紫丁香假单胞菌诱导的β-紫罗酮和α-金合欢烯、欧文氏菌诱导的己烯醛和丙二醇。此外，有益微生物（固氮根瘤菌）可通过改变VOC提高植株抗性，如蚕豆在丛枝菌根诱导下倍半萜烯释放量降低，研究表明植物根系微生物诱导植物激素产生从而促进植物生长，然而大多数研究仅集中于直接相互作用，触发挥发化合物释放及其在邻近植物间的传播研究较少。

根系分泌物如糖、有机酸、次生代谢产物和黏液聚合物在重塑根系微生物群落中发挥重要作用。根系分泌物的组成随植物基因型、发育阶段、外界胁迫而变化。研究表明拟南芥中茉莉酸和水杨酸的分泌改变根系微生物群落组成。空间分离的两株植物可以通过挥发性有机物进行信号交流，本研究假设病原感染诱导的植物挥发物会影响相邻植物的根系微生物群落。为验证这一假设，利用宏基因组分析解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）感染的番茄植株，鉴定出β-石竹烯是重要的挥发有机物，水杨酸是重要根分泌物。分析表明相邻番茄植株的微生物群落与病原感染的植株具有高度相似性，因此本研究揭示挥发性病原诱导的植物挥发有机物可“同化”空间上邻近植株的根系微生物群落。

论文ID

原名：Achieving similar root microbiota composition in neighbouring plants through airborne signalling

译名：植物挥发性有机物“同化”邻近根系微生物群落组成

期刊：The ISME Journal

IF：9.180

发表时间：2020.9

通讯作者：Choong-Min Ryu

通讯作者单位：韩国生命工学研究院传染病研究中心

实验设计

①试验材料（图1）。番茄栽培品种Micro-Tom，种植于温室不受外部空气流通，4株番茄用病原感染（传播挥发有机物）而4株番茄接收挥发物。病原采用解淀粉芽孢杆菌浇灌根，14d后采集根际样品。

②微生物组。提取根际样品DNA，根据16S RNA V3/V4区域进行PCR扩增测序，USEARCH对序列进行比对分类，UCLUST对序列聚类分析，计算多样性指数（α/β多样性）。

③代谢分析。气相色谱-质谱联用（TD-GC-MS）分析植物挥发物，接收挥发物的植株根系利用超液相色谱-四极质谱（UPLC-QTOF-MS）分析植物激素。为评价水杨酸对根系细菌群落的影响，采用50ng/mL甲基-水杨酸处理植株根系，在大豆酪蛋白琼脂培养基（TSA）培养根系微生物，对细菌菌落进行计数。

图1 植物有机挥发物诱导邻近根系微生物群落变化分析的试验设计。a：模拟温室，采用塑料盒在土壤下阻断信号传输，探究挥发有机物对邻近植株的影响；b：试验步骤，采用芽孢杆菌GB03处理植株，14d后采集根系样品。

结果与讨论

为探究植物挥发有机物对邻近植物根系微生物群的影响，本研究建立一个配置风扇的微型温室（图1），利用解淀粉芽孢杆菌处理植株。微生物组测序结果表明eS（土壤）中厚壁菌门和放线菌最丰富，分别为60%和20%。而eSP（植物根系土壤）中变形菌门明显增加，而杆菌减少至10%。与eSP相比，eSPB（病原处理的植株根系土壤）中杆菌增加20%，而γ-变形菌比例下降到15%，因此解淀粉芽孢杆菌GB03引发的植物生理变化可导致根系变形菌丰度增加（图2a）。先前研究表明细菌挥发物主要为低分子量碳氢化合物（如2，3-丁二醇），本研究表明细菌挥发物对邻近植物根系微生物群落没有影响。

eSPB中根系微生物群落均匀度最高（图2b），高度均匀度间接表明土壤微生物群落的稳定性，从而保护植株免受病原侵染。β多样性分析表明每种处理组在发送挥发物与接收挥发物的植株间无差异（图2c）。其中，eSPB和rSPB处理组间的Pearson相关系数最高（r=0.69），而Kendall和Spearman相关系数不显著（图3）。这说明Kendall和Spearman的相关系数不如Pearson相关系数敏感。此外，Pearson相关分析表明GB03处理的番茄植株与相邻番茄植株的根系微生物群落富集情况相似。因此进一步研究“同化”根系微生物群落的影响因素。

图2 发送挥发物与接收挥发物的植株根系微生物组分析。a：分类序列的相对丰度；b：发送挥发物植株根系微生物的α多样性分析，包括基于丰度的覆盖估计器（ACE）、物种丰富度指数、Simpson指数、Shannon指数；c：各处理组的主成分分析。

图3 Pearson系数测定释放挥发物与接收挥发物植株间的微生物群落相似性。

本研究基于MIPV诱导微生物群落同化的理论，表明芽孢杆菌GB03在根系定殖后，促使番茄植株释放有机挥发物，同化邻近番茄植株的根系微生物群落（图4a）。检测到的挥发性有机化合物包括β-石竹烯、古巴烯、金合欢醇异构体（图4b），其中β-石竹烯峰面积最大（图4c-d）。β-石竹烯是花中最常见的12种芳香化合物之一，它与植物的病原防御反应有关，富含石竹烯的根茎对醛酸杆菌和铜绿假单胞菌具有明显抑制活性。金合欢醇是类固醇和倍半萜烯的前体，参与植物对生物胁迫响应。金合欢醇作为法尼塞驱虫物质前体，与乙烯共同参与苹果果实生理紊乱。病原诱导产生的挥发性有机化合物可以影响邻近植物的根系微生物群落，不考虑植物间距离。

图4 病原诱导的植物挥发性有机化合物分析。a：通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）管件收集植物挥发物；b：TD-GC-MS植物挥发物分析系统；c：病原诱导的三种特异性有机挥发物；d：有机挥发物总色谱图。

本研究假设这些有机挥发物会引起植物生理变化，导致根系分泌物变化，从而影响根系微生物群落。对邻近植株（接收挥发物信号）的根系渗出液进行激素分析（图5a），病原处理的根系分泌物中水杨酸含量为36ng/mL，显著高于无病原处理组（rS：4.8ng/mL，rSB：5.6ng/mL，rSP：11.5ng/mL）（图5b），而茉莉酸和脱落酸的含量差异不显著。为验证β-石竹烯对根系分泌激素水平的影响，在密闭罐中对番茄幼苗进行挥发物处理（图5c）。结果显示根系分泌物中水杨酸含量27ng/mg（图5d），茉莉酸和脱落酸含量变化不明显。研究表明受病原侵染的植物利用挥发性有机物作为信号，诱导邻近植物触发免疫应答。例如青豆受病原丁香假单胞菌侵染时，释放天竺葵醛（挥发物）作为信号，诱导周围植株产生系统获得抗性（SAR）。在拟南芥中，单萜挥发物不仅诱导活性氧产生，而且通过水杨酸信号诱导SAR。此外，抗性品种释放的挥发物可以提高易感品种对炭疽菌的抗性。

植物挥发物在与昆虫、线虫、细菌、真菌、病毒互作中发挥作用。在生物/非生物胁迫下，根系激素水平的变化影响根系微生物群落。本研究表明水杨酸处理增加番茄根系微生物密度（图5e）。因此，植物免疫系统在影响根系微生物群落方面起重要作用。研究表明茉莉酸通路突变的拟南芥根系，链霉菌和芽孢杆菌丰度增加。此外，研究表明被镰孢菌侵染的沙生苔草根部释放挥发物，可以促进具有抗真菌特性的细菌在土壤中长距离迁移。然而，挥发物对根系微生物群落的作用机制仍未知。本研究表明生物胁迫诱导植物释放有机挥发物，通过调节邻近植株根系分泌物的激素水平，影响根系微生物群落组成。本研究强调植物有机挥发物促使空间相近的植株出现高度相似的根系微生物群落。

图5 植物挥发物引起的受体植物根分泌激素分析。a：密闭玻璃容器探究受体植物根系激素变化；b：根分泌物中水杨酸浓度；c：密闭玻璃容器探究β-石竹烯对根系分泌激素影响；d：（β-石竹烯处理下）根分泌物中水杨酸浓度；e：水杨酸对根系细菌菌落总数的影响。

研究表明植物释放的挥发物会影响邻近植物的防御机制，而涉及微生物群落的研究较少。本研究揭示了空气信号“同化”植物根系微生物群落的潜在机制（图6）。挥发性物质可以促使1m范围内的植物相互作用，本研究的结论可用于开发一种植物挥发性调节剂，增强植株对病原免疫反应。然而，存在的缺陷是本研究利用芽孢杆菌诱导挥发物产生，在自然条件下该细菌生存能力较低。不过，本研究提供了一种新理论：应用特定挥发物和根分泌物，改善植物根系微生物群落，提高植株抗病性，降低病害发生率。

植物与微生物的群落总体被称为“共生功能体”。在植物-微生物相互作用中，挥发物行使信号传导的作用。其中，病原诱导的有机挥发物有助于防御相关的微生物群落从一株植物传播至另一株。因此，利用植物间挥发物信号建立提高植株抗性的土壤微生物群落，有助于减少化学农药的使用，促进可持续农业发展。