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！本期周刊为您介绍茶树根系分泌物L-茶氨酸介导根际微生物群落组装调节土壤元素循环，原文于2022年发表在《Science of the Total Environment》上。
根系分泌物是植物和土壤微生物相互作用的关键介质。L-茶氨酸是一种独特的非蛋白质氨基酸，对茶产品风味和潜在的健康效益至关重要。然而，它在茶树中的生物学功能还不清楚。本研究以元素循环为目标，系统研究了茶树根系分泌的L-茶氨酸对根际微生物群落结构和参与土壤C、N、P和S循环基因丰度的影响。结果表明， L-茶氨酸塑造了根际微生物群落，并影响土壤元素循环编码基因丰度，其通过降低narH、napA和napB基因的丰度显著抑制了反硝化和完全硝化途径。这些发现为揭示L-茶氨酸的生物学功能以及茶树根系分泌物和根际微生物之间的相互作用提供了新的见解。1、茶树向根际土壤分泌L-茶氨酸
L-茶氨酸是茶树中的一种特殊的非蛋白氨基酸。茶树主要通过从土壤中吸收氮进而在根部合成L-茶氨酸，之后将其运输到其他部分。作者通过LC-MS鉴定茶树根系分泌物发现，茶树分泌物的总离子色谱图和质谱图(图1C-D)与L-茶氨酸标准品(图1A-B)相同，证明了茶树根系可分泌L-茶氨酸。
图1 根系分泌物的代谢物分析。
A L-茶氨酸标准品的LC-MS总离子色谱图(TIC)。B L-茶氨酸标准品的质谱图，片段m/z 46.2和84.1是L-茶氨酸的特征离子。C LC-MS提取根分泌物的离子色谱图。D 根分泌物中L-茶氨酸的质谱图。
2、低温增加了茶树根系和根系分泌物中L-茶氨酸的含量
冬季和早春是茶树根系从土壤中吸收和储存氮的活跃时期，并且茶树中的总氨基酸含量要高于夏秋季。低温处理(4℃)，根和根分泌物中L-茶氨酸含量分别是室温处理(25℃)的2.03倍和16.19倍。与室温(25 ℃)相比，高温处理(38 ℃)茶树根中L-茶氨酸的含量显著降低，但茶树根分泌物中L-茶氨酸的含量没有显著差异(图2A-B)。这些结果表明，低温能提高根际土壤中L-茶氨酸的含量。
图2 温度胁迫下L-茶氨酸的含量。
A 温度胁迫对根中L-茶氨酸含量的影响。B 温度胁迫对根分泌物中L-茶氨酸含量的影响。星号表示显著差异(* P <0.05，** P <0.01，误差棒表示标准差)。
3、L-茶氨酸影响根际微生物群落多样性
植物通过向根际分泌特定的代谢产物，选择性地从土壤环境中招募功能微生物，帮助植物抵抗生物和非生物胁迫，从而增强其适应环境的能力。在使用0.1μM 、1μM 和10μM 浓度L-茶氨酸处理的第7天和第14天，L-茶氨酸浓度对根际细菌群落的Shannon指数无显著影响 (图3A)。然而，L-茶氨酸处理14天后的Shannon指数显著高于处理7天的，这表明L-茶氨酸处理下的时间梯度可以改变根际细菌群落的α多样性。基于Bray-Curtis距离的主成分分析(PCoA)显示 (图3B-C)，L-茶氨酸的浓度显著影响了细菌群落的结构。此外，L-茶氨酸处理时间也显著地(P =0.001)改变了细菌群落的结构(图3D)。
图3 土壤细菌群落的多样性。
A 细菌群落的Shannon指数。上方的不同字母表示显著差异(P <0.05，误差线表示标准偏差)。B 基于Bray-Curtis距离的PCoA显示了7天后在0.1μM (S1)、1μM (S2)和10μM (S3)L-茶氨酸下的浓度效应(P =0.003)。C 基于Bray-Curtis距离的PCoA显示14天后在0.1μM (F1)、1μM (F2)和10μM (F3)L-茶氨酸下的浓度效应(P =0.007)。D 基于Bray-Curtis距离的PCoA显示了第7天(d7)和第14天(d14)的时间效应(P =0.001)。
4、L-茶氨酸塑造根际微生物群落
在门水平上，变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、厚壁菌门和浮霉菌门是最丰富的门，占所有门水平的80%以上(图4A)。随着L-茶氨酸处理持续时间的增加，放线菌门、浮霉菌门和疣微菌门的相对丰度增加，而厚壁菌门的相对丰度降低(图5A)。此外，随着L-茶氨酸浓度的增加，酸杆菌门和疣微菌门的相对丰度增加。在属水平上，随着L-茶氨酸处理时间的增加，热酸菌属、康奈斯氏杆菌属、粘液杆菌属和分枝杆菌属的相对丰度增加，而脂环酸杆菌属、膨胀芽胞杆菌属和伯克霍尔德菌属的相对丰度下降(图4B，5B)。随着L-茶氨酸浓度的增加，鞘氨醇单胞菌属的相对丰度增加，而热酸菌属的相对丰度下降。此外，在用L-茶氨酸处理7天和14天之后，在三个不同浓度的处理中共享OTUs的数量从1423增加到1557，分别占所有OTUs的42.8%和44.3%(图4C-D)。
图4 L-茶氨酸对土壤细菌群落的调节。
A 细菌群落主要门的相对丰度。B 细菌群落主要属的相对丰度。(属级未分配的分类已删除)。在L-茶氨酸浓度为0.1μM (S1，F1)，1μM (S2，F2)和10μM (S3，F3)的土壤中培养7天(S1，S2，S3)和14天(F1，F2，F3)。C和D 韦恩图显示了OTUs的基本重叠，在不同L-茶氨酸水平下处理7天和14天后的浓度效应。
图5 L -茶氨酸对细菌群落丰度的影响。
基于16S rRNA基因序列，相对丰度随L -茶氨酸处理显著变化的门A和属B。C 基于宏基因组数据的根际微生物群属级相对丰度。星号表示有显著差异。(* P<0.05， ** P<0.01，误差条表示标准差)。
5、L-茶氨酸影响土壤元素循环
根际土壤微生物群落结构和多样性与参与元素循环的功能基因丰度密切相关。作者利用0µM和1µM的L-茶氨酸处理土壤14天后基于宏基因组学探究了L-茶氨酸对元素(C，N，P，S)循环途径相关基因丰度的影响，鉴定了包括还原型柠檬酸循环、还原性乙酰辅酶a、不完全还原型柠檬酸循环和3-羟基丙酸双循环的碳固定途径。结果表明：在L-茶氨酸处理后，与这些途径相关的基因丰度略微降低，但不显著(图6A，7A)。在包括异化硝酸盐还原、同化硝酸盐还原、反硝化、固氮、完全硝化和硝化作用的氮循环途径方面， L-茶氨酸处理下氮循环途径相关基因丰度降低，其中异化硝酸盐还原、反硝化和完全硝化途径基因丰度显著降低(图8B)。进一步分析该通路中相关功能基因的相对丰度，发现硝酸还原酶相关基因(narH、napA、napB、narB)和烯烃单加氧酶α亚基基因(amoA)的相对丰度显著降低 (图8A)，这与氮循环中的3个途径有关(图8C)。此外，nirA/K、narG(反硝化因子亚硝酸还原酶(NADH)基因)、norB(一氧化氮还原酶基因)的丰度降低。宏基因组分析表明，反硝化途径和完全硝化途径主要与脂环芽孢杆菌属、伯克氏菌属、戴氏菌属、分枝杆菌属和马赛菌属有关(图9）。在磷代谢途径方面，与多磷酸盐合成途径相关的基因在L-茶氨酸处理后显著富集 (图7B)。无机磷酸盐转运相关基因(pstA)丰度显著降低 (图6B)，表明细菌（如戴氏菌属和分枝杆菌属）对有机和无机磷的利用受到抑制(图 10)。在包括同化硫酸盐还原，异化硫酸盐还原和硫代硫酸盐氧化的硫代谢方面(图6C)，与同化硫酸盐还原途径相关基因丰度略有下降，但与硫代硫酸盐氧化途径相关基因丰度略有增加(图7C)。宏基因组分析显示，硫代硫酸盐氧化途径功能基因主要与慢生根瘤菌属、磁螺菌属、副伯克氏菌属、红球形菌属和硫化假单胞杆菌属有关(图11)，其中磁螺菌属和硫化假单胞杆菌属细菌的相对丰度在1μM L-茶氨酸的处理下增加(图5C)，这意味着L-茶氨酸可以通过募集磁螺菌属和硫化假单胞杆菌属细菌来促进茶树对硫的吸收。而亚硫酸还原酶(cysI)基因和硫化物氧化基因soxA的丰度显著增加，soxY的丰度显著降低 (图6C)，表明在群落中检测到了异养细菌的硫代硫酸盐氧化能力。
图6 主要功能基因参与C(A)、P(B)、S(C)代谢。
在L -茶氨酸水平为0µM (CK)和1µM (T1)的土壤培养14天。
图7 固碳(A)、磷(B)、硫(C)代谢途径富集分析图。
在L-茶氨酸水平为0µM (CK)和1µM (T1)的土壤培养14天。
图8 参与氮循环代谢的主要功能基因和代谢途径。
A 参与氮循环代谢的主要功能基因。(* P <0.05)。B 在L-茶氨酸浓度为0μM (CK)和1μM (T1)的土壤中培养14天氮代谢途径的富集分析。C 氮代谢途径示意图。饼状图表示N-循环相关基因的相对丰度，通过将单个样品中基因覆盖的总和除以该基因在所有样品中覆盖的总和来计算。
图9宏基因组数据推断出细菌参与主要氮循环的属的相对分布。
图10宏基因组数据推断出细菌参与主要磷代谢的属的相对分布。
图11宏基因组数据推断出细菌参与主要硫循环的属的相对分布。
L-茶氨酸是一种特殊的游离氨基酸，占茶叶中总游离氨基酸的50%以上，也被认为是茶树储存氮的主要形式。然而，茶树根系分泌物是否含有L-茶氨酸，在温度胁迫下根系分泌物中L-茶氨酸含量的变化以及它如何影响土壤中微生物的组装和土壤元素循环尚未得到研究。本研究以土壤元素循环为目标，系统研究了茶树根系分泌物L-茶氨酸对根际微生物群落结构和基因丰度的影响(图12)。结果表明:(i)茶树根系可以向根际土壤分泌L-茶氨酸。(ii)低温处理增加茶树根系分泌L-茶氨酸。(iii)茶树分泌物L-茶氨酸塑造根际微生物群。 (iv)L-茶氨酸减少了根际土壤中与反硝化和完全硝化有关的基因丰度，这表明L-茶氨酸可能对土壤中的氮损失有积极影响。这些发现为揭示L-茶氨酸的生物学功能以及茶树根系分泌物和根际微生物群之间的相互作用提供了新的见解。
图12 茶树根系分泌L -茶氨酸通过改变根际微生物群落组装来调节土壤元素循环的示意图。
论文信息
原名：L-theanine exuded from Camellia sinensis roots regulates element cycling in soil by shaping the rhizosphere microbiome assembly
译名：茶树根系分泌物L-茶氨酸介导根际微生物群落组装调节土壤元素循环
期刊：Science of the Total Environment
DOI：10.1016/j.scitotenv.2022.155801
发表时间：2022
通讯作者：徐平
通讯作者单位：浙江大学
