摘要：全球气候变化环境下，干旱是陆地植物和农业生态系统所面临的最严峻的非生物胁迫之一。干旱胁迫也是造成土壤微生物生态系统退化，根系微生物组益生机能减退的重要因素。植物能在多种胁迫下招募有益微生物以缓解生存压力，这被认为是传统内源抗逆信号之外的另一条重要的环境适应策略
全球气候变化环境下，干旱是陆地植物和农业生态系统所面临的最严峻的非生物胁迫之一。干旱胁迫也是造成土壤微生物生态系统退化，根系微生物组益生机能减退的重要因素。植物能在多种胁迫下招募有益微生物以缓解生存压力，这被认为是传统内源抗逆信号之外的另一条重要的环境适应策略[1]。但是干旱下植物遗传信号是否以及如何参与调控根系微生物组的动态组装依然不完全清楚。
近日，南方科技大学生命科学学院宋毅课题组在学术期刊Nature Communications上发表了题为“Root hair developmental regulators orchestrate drought triggered microbiome changes andthe interaction with beneficial Rhizobiaceae”的研究论文，揭示了根毛发育调控因子参与调控干旱诱导的根系微生物组变化以及与有益根瘤菌互作的新机制。
根毛对于植物水分和养分的吸收至关重要，是根系与微生物互作的最前线[6, 7]。此外，植物通过根系分泌物将大约20%-30%的光合碳源分泌到根际，根毛在这一过程中发挥关键作用[8]。在本研究中，研究人员假设根毛可能参与调控干旱下根系微生物组的塑造，从而增强植物的干旱适应性。基于这一假设，研究人员以具有不同根毛密度的拟南芥遗传突变体gl2（多根毛）和rsl2 rsl4（无根毛）以及野生型Col-0（正常根毛）为研究材料解决以下问题：（1）揭示干旱下根毛发育调控因子对微生物组动态组装的影响；（2）确定干旱下受根毛发育调控因子影响的关键类群或微生物，及其与植物干旱适应性的潜在关联；（3）探究干旱下根系与有益微生物互作的潜在代谢和遗传机制。
为了进一步探究干旱下根毛突变体调控的关键类群，研究人员首先分析了干旱下三个基因型根系样品中的生物标志类群及其在不同基因型中的相对丰度。共鉴定到7个生物标志类群，同时Rhizobiaceae 是 gl2 的主要标志科，且Rhizobiaceae 在 gl2 中的相对丰度显著高于 rsl2 rsl4 和 Col-0。进一步对干旱下根毛突变体与Col-0根系样品在ASV水平上进行差异丰度分析发现gl2相对于Col-0富集的ASV中多数属于Rhizobiaceae。同时，共现网络分析发现gl2具有更复杂的微生物网络特征，且干旱下根瘤菌科相关节点（ASV）的重要性（度中心性）及其与其他微生物互作强度从rsl2 rsl4、Col-0到gl2逐渐增加。更有趣的是，在gl2中发现的两个关键物种（hub）均属于Rhizobiaceae。这表明根毛发育调控因子影响根瘤菌科在干旱诱导的微生物组动态变化中的丰度和网络重要性进而可能影响植物的干旱适应性。
研究人员之后以还原论的方法利用PEG平板体系验证了gl2调控的根瘤菌的干旱缓解功能。首先研究人员分离培养和鉴定了接近1500个根系共生菌，构建了包含有 7 个门、 47 个科共 265 个单菌的分离菌库。通过匹配最终得到了10株根瘤菌，对这10个根瘤菌及其合成菌群进行干旱缓解功能验证，发现大部分单菌和所有合成菌群仅在胁迫下特异性增强植物的主要生长指标（初生根长和鲜重等）。为了探究根瘤菌介导的干旱保护效应的潜在分子机制，研究人员分析了根转录组对两株关键根瘤菌的响应，发现这些菌株促进了海藻糖等次生代谢产物相关基因、免疫相关基因以及干旱响应基因的表达。
为了进一步探究与干旱保护功能相关的潜在的微生物组功能变化，研究人员对干旱下不同基因型根系微生物组进行了宏基因组分析。结果表明，与Col-0相比，gl2根系样品中与转运蛋白、精氨酸和脯氨酸代谢以及转录因子相关的基因显著富集，同时含有丰富的黄酮类分子。并且精氨酸和脯氨酸代谢是gl2干旱下根系样品中的主要标志功能通路。为了进一步探究相关根瘤菌干旱保护效果的遗传机制，研究人员成功地构建了Rhizobium sp. 4F10菌株的基因敲除系统。结果表明，当敲除ocd基因（编码一种鸟氨酸环脱氨酶）之后，Rhizobium sp. 4F10突变菌株△ocd的干旱保护效果显著削弱。进一步研究表明ocd基因可能通过影响菌株的环境适应性进而影响对植物的胁迫保护效果。
a.供试拟南芥遗传突变体gl2（多根毛）和rsl2 rsl4（无根毛）以及野生型Col-0（正常根毛）表型
b.不同根毛突变体显著影响根系微生物群落组成差异（根系（root）、根际土壤（rhizosphere）和根周土壤（Bulk soil））
c.根系微生物共现网络揭示根瘤菌科相关节点物种重要性及其与其他微生物互作强度增加
d.研究分离培养和鉴定了近1500个根系共生菌，并构建了涵盖主要门类 47 个科共 265 个单菌的分离菌库
e-f.gl2特异性影响的菌株及其合成菌群在实验室PEG微系统（e）和土壤体系（f）均显著提升植物干旱适应性
g-h.研究概念图（本研究通过多组学手段证实了宿主遗传效应在干旱下植物-微生物互作动态中的作用，揭示了根瘤菌介导的非生物胁迫保护机制，拓展了逆境下非豆科植物与根瘤菌互作的认识）
宋毅课题组助理研究员王正洪博士和课题组毕业硕士生（科研助理）李泽文为并列一作，南科大为唯一通讯单位。课题组张玉洁，廖景烨，官凯祥，翟景瑄，博士后唐贤礼参与了该工作。南方科技大学郭红卫讲席教授为本课题提供了根毛遗传材料和重要指导，南方科技大学生科院副院长董涛教授参与指导微生物遗传转化体系的构建。兰州大学刘向研究员为微生物群落变化分析提供重要指导。中国科学院昆明植物所，中国科学院西双版纳热带植物园，华南农业大学，东北农业大学等单位在不同类型土壤采集中提供了重要帮助。
据悉，南方科技大学宋毅团队主要利用植物分子遗传学，单细胞组学和微生物生理生态学技术体系，以模式植物拟南芥和部分作物为研究对象，整合揭示根系与朋友和敌人的互作机制。 课题组在国自然项目，深圳市优青，深圳市稳定支持项目及广东省相关支持下，聚焦解析根系生态系统运行的分子遗传学和生理生态学机制。 课题组期待具有基础分子遗传学（植物病理或发育）或数据分析背景的博士后加盟，乐于与博士后成员以并列通讯方式合作开展研究（songy3@sustech.edu.cn，现阶段待遇为33万+单位福利及学术交流补助等）。
参考文献：
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来源：康康店小二
