【原】【LorMe观点】黄酮类化合物介导植物-微生物相互作用的多方面作用

2022年12月16日，中国科学院深圳先进技术研究院戴磊课题组和南京农业大学韦中课题组在国际权威学术期刊Microbiome合作发表了题为“Multifaceted roles of flavonoids mediating plant-microbe interactions”的综述性评论论文。该工作简要总结了黄酮类化合物在植物中的合成、运输和分泌的普遍特性；系统性回顾了黄酮类化合物在调节植物-微生物互作，以及动态影响植物-根系微生物组的整体群落装配等方面的重要性；最后，强调了当前在理解黄酮类化合物如何决定植物-共生微生物间互作方面潜在的知识差距。

主要结果

植物-微生物互作影响植物的生长、健康和发育。支撑这些互作的机制很大程度上是由宿主衍生的特定的次生代谢物所介导的。黄酮类化合物是这类代谢物中研究最多的一类，通常指一组以C6-C3-C6为基本碳架的化合物，其中两个苯环（A环和B环）通过中央三碳连接（C环）（图1A）。这些化合物根据中央碳环的氧化程度，通常被分为六大类:黄酮醇、黄酮、异黄酮、花青素、黄烷酮和黄烷醇（图1A）。黄酮类化合物在调节植物生长发育、与共生微生物互作等方面发挥重要作用。

1、植物中黄酮类化合物的生物合成和运输以及分泌

植物中的黄酮类化合物生物合成

陆生植物共有的核心黄酮类化合物生物合成途径是由查尔酮合酶（CHS）和查耳酮异构酶（CHI）催化启动的。作为参与黄酮生物合成的必需酶，CHS和CHI在产黄酮植物中普遍存在，负责生成中间 C 环，从而产生黄烷酮，例如柚皮素（图 1A）。黄烷酮可作为一系列下游黄酮生物合成酶的底物，从而产生多种黄酮代谢物（图1A）。双子叶植物中，黄烷酮3-羟化酶（F3H）和黄酮醇合酶（FLS）是合成黄酮醇及其衍生物所必需的。在一些积累花青素的植物组织中，则需要二氢黄酮醇4-还原酶（DFR）和花青素合酶（ANS）的活性。相反，单子叶植物更容易通过黄酮合酶（FNS）合成和积累黄酮及其衍生物。此外，异黄酮合酶 (IFS) 独特地存在于豆类中，可导致异黄酮的产生。这些酶共同促成了植物合成的黄酮的多样性。

植物中的黄酮类化合物运输和分泌

在植物中，黄酮类化合物主要在细胞内运输（图1C），并储存在液泡中，其也可以运输到其他细胞区室，甚至到细胞外空间。到目前为止，已经提出了三种不同的机制，即囊泡运输、膜转运蛋白和谷胱甘肽-S-转移酶（GST）介导的转运（图1C）。

一些黄酮类化合物也可以被释放到根外环境中，即植物根际（图1C）。上述所讨论的黄酮类化合物细胞内运输机制也与根系分泌物的释放有关。在这种情况下，根际黄酮类化合物认为可以被动态吸附到土壤有机质上和/或被土壤微生物迅速降解。例如，一项模拟黄豆苷元（一种异黄酮，图1A）在根际分布的研究表明，这种类黄酮化合物只能分布在距离根表面几毫米的地方，表明土壤吸附可能会大大降低黄豆苷元在土壤中的流动性。

图1 黄酮类化合物在植物中的生物合成、功能和运输

A、黄酮的分子结构、主要亚类以及植物中普遍存在的黄酮生物合成途径；B、植物中黄酮的生物学功能；C、黄酮在细胞内和细胞间运输。CHS，查耳酮合酶;CHI，查耳酮异构酶;IFS，异黄酮合酶;FNS，黄酮合酶;F3H， 黄烷酮 3-羟化酶;FLS，黄酮醇合酶;DFR，二氢黄酮醇4-还原酶;LAR，无色花青素还原酶;ANS，花青素合酶;ABC，ATP结合盒;ADP，二磷酸腺苷;ATP，三磷酸腺苷;Pi，磷酸盐;GSH，谷胱甘肽;GST，谷胱甘肽-S-转移酶;MATE，多药和毒素外排;TT12，transparent testa 12

2、黄酮类化合物介导植物-微生物互作

植物-共生微生物之间的动态互作影响着植物生长、适应性、甚至植物-微生物进化。黄酮类化合物在介导这些互作中发挥了重要作用。最广为人知的是其在豆科作物根瘤菌结瘤过程中的重要性。然而，黄酮类化合物还可以通过其他几种机制决定与其他植物相关微生物的互作。

首先、黄酮类化合物在植物-病原菌互作中起作用。几种病原菌诱导的黄酮类化合物被认为是植物抗毒素，这些物质在受到病原菌侵染时在植物组织中积累，且可以抑制病原菌生长（图2A）。同时，黄酮类物质的减少可以增加转基因植物对病原菌的易感性。值得注意的是，特定微生物类群可能已经进化出对黄酮植物抗毒素的抗性，参与黄酮降解的微生物酶赋予特定病原菌的适应性，以绕过黄酮植物抗毒素的防御。

第二、黄酮类化合物在植物-根瘤菌互作中起作用（图2B）。早期研究表明黄酮类化合物可以作为化学诱导剂吸引根瘤菌，提高根瘤菌中nod基因的表达，促进结瘤的过程。根毛转化技术的最新发展使研究人员能够使用RNAi敲低黄酮生物合成基因，以研究黄酮在根瘤形成中的不同作用。例如，通过使苜蓿中CHS沉默，证明黄酮是Sinorhizobium meliloti中nod基因的主要诱导剂；基于FNS敲出突变体进一步证明黄酮对于苜蓿的结瘤至关重要；此外，大豆IFS沉默突变体也证明了异黄酮作为B. japonicum nod基因表达诱导剂的重要性。此外，蚕豆根系分泌物中染料木黄酮（异黄酮）、橙皮素（黄烷酮）和柚皮素与结节数和结节干重有显著相关性。这些结果均表明黄酮在宿主特异性和根瘤菌菌株的选择中发挥作用。

第三、黄酮类化合物在植物-AMF(丛枝菌根真菌)互作中起作用。大约80%的陆生植物能够与AMF建立共生关系（图2A）。研究表明根系分泌物中的特定分子（一类称为“独脚金内酯”的植物激素）能够刺激AMF 孢子萌发和胚芽管分支，且根系分泌物中黄酮类化合物也动态参与了这一过程。相反，AMF在植物根部的定殖可以促进植物生长，并可显著改变植物次生代谢产物（包括黄酮类化合物）的产生。

第四、黄酮类化合物在植物-PGPR（促进植物生长的根际细菌）互作中起作用。一些研究表明，黄酮类化合物是介导PGPR和植物之间交流的活性分子，这表明其可能在这些相互作用中发挥关键作用，并且特定微生物类群诱导植物组织中黄酮类化合物表达和/或积累的潜力。此外，黄酮类化合物还参与PGPR介导的植物对非生物胁迫的耐受性，以及通过招募PGRP有助于植物对水和养分缺乏的耐受性。

最后，黄酮类化合物也可能作为细菌群体感应相关的化学线索，从而介导植物-微生物互作。

图2 黄酮介导植物-微生物相互作用

A黄酮类化合物介导植物-微生物互作的多方面作用；B黄酮类化合物介导植物根部结节形成示意图。

3、黄酮类化合物介导根系微生物组装配和功能

多数黄酮类化合物可以作为招募特定微生物类群的信号和/或作为微生物生长的底物，其中一些黄酮类化合物会对微生物类群的招募产生负面影响（如抑菌作用）。研究表明，黄豆苷元处理对土壤α多样性有显著的负面影响，表明其对土壤中特定微生物类群有潜在影响。同样，用槲皮素处理的α多样性也有所降低，尽管这种处理导致了特定（且可能有益）类群的增长。详细而言，用黄豆苷元处理的土壤导致Comamonadaceae的相对丰度增，而用槲皮素处理的土壤除了Proteobacteria总体相对丰度升高外，还导致Pseudarthrobacter相对富集。此外，对玉米根系分泌物的研究表明，黄酮化合物（如芹菜素和木犀草素）可增加植物根际Oxalobacteraceae的丰度。

黄酮类化合物作为复杂的信号分子可以被不同的微生物类群感知、消耗和修饰。此外，这些分子的特异性和化学动力学可以对微生物类群丰度和整体微生物组组成产生不同的影响。越来越多的证据表明，特定的微生物分类群，如Rhizobia和Pseudomonas，可以主动降解黄酮分子。这些分子被特定微生物直接用作能量来源，通过黄酮碳骨架的降解和副产物降解进一步引导到三羧酸循环中。同时，作为微生物组调节的另一种机制，根系分泌物中存在的黄酮类化合物降解的分子也会影响根际微生物组。这些衍生分子通常表现出比前体分子更高的抗氧化活性，这不仅可能影响专门的微生物类群，而且可能影响植物根际的整体微观环境。

结论与未来展望

尽管植物中黄酮的生物合成和代谢已得到广泛研究，但这些化合物介导宿主-微生物互作的多方面作用在很大程度上仍未被探索，包括它们对微生物群落装配的影响，以及在植物根际中充当化学信号的分子机制。鉴于目前需要利用特定微生物类群和功能来实现农业生态系统的可持续发展，更好地了解黄酮及其衍生物对植物共生类群的影响具有根本意义。从这个意义上说，该领域正在出现不同和互补的重点，包括微生物对黄酮的感知机制及其在细胞中的信号转导，以及黄酮作为宿主-微生物相互作用介质的生态学意义。至关重要的是，目前有几种植物突变品系可用于研究特定黄酮分子在根际生物学中的潜在作用。这些植物突变文库可用于探索含有不同黄酮组成和浓度的根系分泌物如何动态影响根际微生物分类群的募集和功能。作为后续研究，通过黄酮代谢调节特定微生物类群，以包括系统中的功能丧失或获得，可能成为有效设计植物有益微生物组的一种方法。

全文链接：

https://pubmed.ncbi.nlm./365271

论文信息

原名：Multifaceted roles of flavonoids mediating plant-microbe interactions

译名：黄酮类化合物介导植物-微生物相互作用的多方面作用

期刊：Microbiome

DOI：10.1186/s40168-022-01420-x

发表时间：2022.12

通讯作者：戴磊，韦中

通讯作者单位：中国科学院深圳先进技术研究院，南京农业大学资源与环境科学学院