【原】【LorMe成果】根际合生元生物靶向调控产品研发取得新突破

近日，南京农业大学资源与环境科学学院沈其荣院士团队LorMe实验室在解析根际合生元消减土壤青枯菌生物障碍的微生态机制方面取得重要进展，成果以《RIN enhances plant disease resistance via root exudate-mediated assembly of disease-suppressive rhizosphere microbiota》发表于植物学国际权威期刊《Molecular Plant》。该研究比较了野生型番茄（WT）和RIN基因突变体番茄（rin和rin-KO）在灭菌土和自然土中土壤青枯菌生物障碍发生的严重程度，结合宏基因组、代谢组、培养组等研究方法，阐明RIN通过调控番茄根系分泌物招募能够抑制病原青枯菌的有益微生物，形成根际免疫的微生态机制，为利用根际合生元消减土壤生物障碍提供新的科学支撑。

概览

根际微生态系统中根系分泌物介导的的植物-土壤-微生物组-病原菌之间的交互作用影响土壤病原菌生物障碍的发生。然而，植物基因型在其中的作用机制缺乏解析，利用有益微生物-关键根系分泌物（即“根际合生元”）消减土壤病原菌生物障碍的调控措施亟需开发。本研究以控制番茄果实成熟的中心基因RIPENING-INHIBITOR（RIN）转录因子为切入点，阐明了其驱动根际微生物群落组装影响植物健康的潜在作用机制，明确根际合生元调控植物-微生物互作，消减土壤病原菌生物障碍的效果。

番茄RIN基因调控根系分泌物形成抑病型根际微生物群落的微生态机制示意图

主要结果

1.RIN基因参与微生物介导的疾病抗性

番茄的RIN基因是影响果实色素沉着的关键基因，而研究发现该基因的突变同样降低了番茄的抗病性（图1A）。研究发现在灭菌土壤中野生型番茄（WT）的发病率(图1B)和病原菌数量(图1C)都显著低于RIN基因突变体（rin），表明除了影响果实成熟外，RIN基因还提高了植物的抗病性。而在自然土壤中，该效应被放大，与rin相比，WT的发病率(图1D)和病原菌丰度(图1E)大幅下降。进一步分析发现微生物群落驱动的抑病效应随着植物生长发育不断增强(图1F-G)。

图1 RIN基因在微生物介导的疾病抗性中起着重要作用

2.rin和WT植株根际微生物组的组成和功能上存在明显差异

为了更好地理解根际微生物组在植物抗病性中的作用，利用宏基因组学比较了WT和rin植株根际微生物组的差异。结果发现WT植株在微生物组分类和功能上与rin植株显著不同(图2A)，放线菌门在rin植株微生物组中相对丰度明显降低(图2B)，放线菌可能通过抑制青枯菌的生长来降低生物障碍的发生(图2C)。同时，WT植株的细菌共发生网络具有更多的边、节点数量和更短的路径长度，表明微生物竞争更激烈(图2D)，而在WT植物根际中驱动互作网络的13个属中有9个属于放线菌，进一步表明放线菌在植物健康中起到了关键作用(图2E)。功能基因分析发现WT根际参与抗菌化合物生物合成的代谢途径更丰富(图2F)。以上结果表明，RIN可能通过富集放线菌影响番茄根际微生物组的组装和抗生素基因的相对丰度，进而提高植物健康。

图2 rin和WT植株根际微生物组在组成和功能上的差异

3. RIN基因介导的抑病型微生物群落组装与根系分泌物有关，核黄素和3-羟基黄酮招募链霉菌增强抗病性

进一步研究通过水培系统分析了番茄根系分泌物的差异来理解RIN基因与根际微生物群落的关联。结果表明，rin植株的根系分泌物发生了明显的变化， 50.52%的分泌物显著下降(图3A)。其中，肪酸含量较高，而有机酸、醇类、核苷酸和糖类的含量较低(图3B)，尤其是3-羟基黄酮、核黄素、酒石酸、香豆素、水杨酸等的分泌明显减少(图3C)。通过根系分泌物添加试验，发现WT和rin植株的根系分泌物对细菌群落组成有显著不同的影响(图3D)， WT分泌物显著增加了放线菌的相对丰度(图3E)。进一步试验发现添加3-羟基黄酮和核黄素显著降低了植株的发病率和病原菌丰度（图3F），并且改变了根际细菌群落组成(图3G)，富集了放线菌(图3H)。这表明RIN通过刺激根系分泌3-羟基黄酮和核黄素招募放线菌来抵御提高植物免疫力，而放线菌与3-羟基黄酮和核黄素可以组合成根际合生元，促进植物健康。

图3 RIN基因介导的抑病型微生物群落的组装与不同的根系分泌物有关

4. 链霉菌对番茄青枯病的抑制作用

为了直接验证放线菌对番茄青枯菌的拮抗作用和消减生物障碍的效果，从WT植株根际土壤中分离出143株放线菌。其中，48株链霉菌在室内平板实验中对青枯病菌表现出明显的拮抗作用，45株在温室实验中能显著降低青枯菌生物障碍的发生(图4)。这些结果表明放线菌，通过直接抑制病原菌在微生物组驱动的根际免疫中发挥了关键作用。

图4 链霉菌对青枯菌生物障碍的消减作用

总结

综上，本研究结果表明，RIN在抑病型微生物组的组装中发挥重要作用，核黄素和3-羟基黄酮类化合物可以通过招募放线菌等有益微生物提高番茄植株的抗病性。虽然植物的抗病性是由植物-根际微生物-病原菌相互作用驱动的复杂性状，但可以通过利用维生素和类黄酮等根系分泌物配合链霉菌等有益菌组成“根际合生元”进行调控。在未来，需要做更多的工作来筛选合适的根际合生元配方，并进一步明确植物-微生物互作的具体机制。

全文链接：

https://www./science/article/pii/S1674205223002204

作者简介：

杨可铭，LorMe博士毕业生，现南农钟山青年研究员，主要从事根际微生物与植物互做研究，包括根际噬菌体的资源化利用，具有促生抑病功能的复合菌剂开发等。以第一作者在 Microbiome 、Molecular Plant期刊发表 SCI 论文两篇，以共同作者在Microbiome、Nat Biotech、SBB 等期刊发表论文5 篇，授权专利 1 项。

付蕊欣，LorMe博士毕业生，现商丘师范学院生物与食品学院讲师，主要从事植物与根际微生物组互作研究，主讲课程包括《生物工程下游技术》、《微生物资源学》、《茶与花间》等。研究成果以第一和共同第一作者发表在New Phytologist、Molecular Plant、Planta、Microorganisms等国内外著名学术期刊上，以共同作者身份在PNAS、EM、MPMI等国内外著名学术期刊上发表多篇论文。