【原】【LorMe周刊】植物气生根-黏液中微生物介导的固氮和微生境动态平衡

作者：崔格格，南京农业大学硕士在读。主要研究根际资源与微生物互作。

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！本期周刊为您介绍微生物组研究中的质谱代谢组学，原文于2023年发表在《Microbiome》上。

导读

植物相关微生物在宿主养分利用、胁迫耐受性、植物健康和适应等方面发挥着重要作用，比如能够的固氮微生物由于可进行生物固氮并直接促进宿主植物氮利用，引起了科研人员的广泛关注。迄今为止，除了地下根/根际生态位的固氮菌研究以外，植物根茎、木质部和气生根等特殊生态位的微生物促进宿主固氮的功能也备受关注。富含碳水化合物的黏液被认为是介导植物-重氮菌群互作的重要区域和特殊生态位，但气生根黏液分泌和固氮的潜在机制尚不清楚。作者通过微生物功能验证及氮标记，发现蔓性野牡丹气生根黏液富含丰富的固氮菌，能够固定大气中的氮以支持植物生长，进一步发现黏液中一种关键的“友好”真菌F-XTBG8，虽然具有广谱的抗菌活性但可选择性地允许固氮菌生长。

主要结果

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气生根黏液与地下根系分泌物存在差异且富含大量碳水化合物

蔓性野牡丹植株生长时在茎节处形成气生根，作者者通过收集这些样本进行广泛靶向代谢组的测定，比较气生根黏液（Aerial Root Mucilage，简称ARM）和地下根系分泌物（Underground Root Exudates，简称根系分泌物）的代谢物和化学组成（图1），主成分分析结果表明，黏液和根系分泌物的代谢谱有显著差异（P=0.01）。地下根系分泌物中脂类和生物碱等次生代谢产物的相对含量较高，而气生根黏液中氨基酸衍生物、核苷酸衍生物、类黄酮和碳水化合物等初级代谢产物含量较高（图1d）。进一步针对两者的碳水化合物多糖物质进行靶向测定植物代谢组，黏液中含有丰富的葡萄糖、果糖和蔗糖，而地下根系分泌物中上述单糖和多糖含量较低（图1e）。上述结果表明黏液中富含丰富的碳水化合物，可能是个植物源天然的“培养基”。

图1.气生根黏液（ARM）和地下根系分泌物（URE）的代谢物含量差异

气生根粘液中富集大量的固氮微生物类群

气生根黏液含有大量碳水化合物，可能提供不同的营养物和形成不同的生态位，“喂养”着不同的微生物群落。为了验证这一假设，作者收集了蔓性野牡丹的气生根黏液、根际和空白环境土壤样本3个不同生态位的样品，并通过16S rRNA和ITS基因测序分析了样本的原核和真核微生物群落。发现气生根黏液的细菌和真菌组成与地下根际和土壤有显著差异且气生根黏液的原核生物alpha多样性显著低于地下根际和空白土壤（P=0.001，图2）。以上结果表明气生根黏液中可能存在特殊细菌群落，伯克霍尔德氏菌-卡巴拉氏菌-拟伯克霍尔德氏菌属（Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia，BCP）、草螺杆菌属（Herbaspirllum）和新鞘氨醇杆菌属（Novosphingobium）在黏液中高度富集。以上结果表明气生根黏液这一特殊的生态位中存在特殊的微生物组成和功能，固氮可能是蔓性野牡丹气生根黏液中细菌群落的关键功能。

图2.气生根黏液（Mucilage）、根际（Rhizosphere）和土壤（Soil）的细菌多样性

气生根粘液能固定大气中的氮气并支持植物生长

为了进一步验证完整的气生根-黏液-微生物具有固氮生物学功能，作者对植株进行了¹⁵N标记的¹⁵N2气体富集实验。结果表明，具有气生根及黏液的植株在所有组织中的¹⁵N相对丰度显著高于仅有气生根无黏液、无气生根及黏液的植株（P=0.01），证明了黏液固定的氮素由气生根吸收后转移至其他植物部位。作者又对植物源特有的代谢物进行¹⁵N同位素检测，发现只有标记的气生根-黏液植物才能检测到同位素质谱峰的响应，而不具有气生根和未标记的植株均未检出，证明气生根黏液固氮的氮素可以被植物所吸收、利用和参与代谢过程。以上结果，表明了完整的气生根-黏液-微生物区系可以促进植物对大气氮的吸收，气生根及其伴生黏液中的微生物在固氮和支持蔓性野牡丹生长方面起到了重要作用。

图3.气生根黏液标记组显示具有固氮功能且促进植物生长与代谢过程

分泌粘液的气生根中特异性基因的表达可以促进与粘液菌群的碳氮交换

联合固氮等生物固氮形式需要宿主与微生物进行双向碳氮代谢与交换，为了研究这一过程，作者对蔓性野牡丹的基因组和不同类型气生根的样本取样进行转录组测序。基于GO和KEGG注解的功能富集分析结果表明，光合作用和苯丙类代谢相关基因优先在气生根中表达。作者进一步检测碳水化合物和氮转运蛋白基因在有无黏液的气生根和地下根系组织中的表达情况。发现在含黏液的气生根中，糖转运蛋白、硝态氮和氨态氮转运蛋白和同化酶谷氨酰胺合成酶基因的表达量显著高于不含黏液的气生根样品，表明当有黏液时碳氮交换与流动更活跃（P<0.05）。以上结果均表明蔓性野牡丹的气生根黏液这一特殊的生态位具有固氮的生物功能及分子过程，蔓性野牡丹作为该属植物和产黏液的首个测序的双子叶植物，为进一步研究黏液代谢过程和固氮机制提供了分子基础。

图4.蔓性野牡丹转录组揭示了气生根黏液的生物学功能

黏液微生境中的真菌Chaetomella raphigera具有维持微生物稳态的机制

气生根黏液中富含碳水化合物，为固氮菌创造了一个理想的生态位和“天然培养基”，也代表着黏液有可能受到其他微生物的干扰。已有研究表明存在特殊的植物代谢物维持微生物的稳态与抵御病原菌的入侵，但作者并未筛选到具有明显抗生素功能的特定化合物，因此作者提出假设：黏液的微生物群落中的某些微生物可以选择性地允许固氮菌的生长，但抑制“不受欢迎”的环境和病原微生物，以维持黏液中固氮微生物的稳态。作者对黏液样品中分离到的微生物在暴露于在空气中的培养基上培养，筛选到一种真菌培养物F-XTBG8在暴露于空气中5天后仍未被污染，通过ITS测序该菌被鉴定为Chaetomella raphigera（图5a）。随后的微生物拮抗实验表明，黏液中分离出的C.raphigera菌株可以抑制尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）、腐皮镰刀菌（Fusarium solani）和稻瘟菌（Magnaporthe oryzae）等100多种常见的植物病原菌和环境中的真菌的生长（图5）。

图5.气生根黏液微生境中候选的“保卫”真菌抵抗环境微生物而不是固氮细菌类群

“保卫”真菌Chaetomella raphigera被宿主植物招募及其潜在的抗菌机制

作者对培养的C. raphigera真菌基因组和15种不同植物组织的转录组进行测序，发现真菌的28S rRNA基因在不同类型的植物组织的转录本中广泛存在，这意味着“保卫”真菌C. raphigera可能广泛栖息在宿主植物的叶、茎、气生根和地下根中（图6a）。作者选择镰刀菌和稻瘟菌平板对峙进行共培养体系的转录和代谢分析，发现“保卫”真菌对病原菌形成了明显的抑菌圈，因此推测真菌可能通过释放特殊的代谢产物来抑制其他病原体。共培养的51种代谢物与4种病原菌单独培养相比显著增加（P<0.01），其中西西林、丁香酚、4-异丙基苯甲酸、肉桂醛等已被研究并显示具有广泛的抗真菌活性。以上结果表明，C. raphigera代谢产物对环境真菌具有广泛的抑制作用，其广谱抗性可能是由于产生抗真菌代谢产物。

图6.在植物组织中存在真菌Chaetomella raphigera的基因及其潜在的抗真菌机制

结论

本文发现蔓性野牡丹气生根黏液富含丰富的固氮菌，其中的微生物群落能够固定大气中的氮以支持植物生长，筛选出黏液中的一种关键的“保卫”真菌F-XTBG8具有广谱的抗菌活性，但选择性地允许固氮菌的生长。这项研究首次发现了双子叶植物气生根-黏液通过功能微生物行使与地下根系一致的固氮的新的生物学功能，更重要的是，黏液中“友好”真菌的发现进一步加深了人们对微环境中特定功能微生物区系动态平衡机制的理解。这进一步证实了植物积极地调节植物-微生物组的相互作用，维持微生物的稳态平衡，并可能对氮素利用效率、快速生长和植物入侵产生重要影响。作者研究强调了“保卫真菌”在控制气生根-黏液-固氮微环境中的关键作用，进一步研究该“友好”真菌F-XTBG8的代谢产物和广谱抗菌机制，将有助于我们研究黏液-微生物区系之间的特定互作和微生物动态平衡的潜在机制，对微生境功能维持和根际微生态稳态维持提供新的见解。

论文信息

原名：Microbiota-mediated nitrogen fixation and microhabitat homeostasis in aerial root-mucilage

译名：植物气生根-黏液中微生物介导的固氮和微生境动态平衡

期刊：Microbiome

DOI：10.1186/s40168-023-01525-x

发表时间：2023.04

通讯作者：Lingfei Hu，Peng Xu

通讯作者单位：中科院版纳植物园、浙江大学