【LorMe周刊】大豆分泌嘌呤类物质招募假单胞菌应对盐胁迫

作者：闫涛，南京农业大学硕士在读，主要研究根际资源与根际微生物互作。

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！本期周刊为您介绍大豆通过分泌嘌呤招募假单胞菌抵抗盐胁迫，原文于2024年发表在《Nature Communications》上。

导读

盐胁迫是最常见但研究最少的环境压力之一，严重降低了农业生产力。盐胁迫会改变植物分泌物的组分，进而影响根际微生物群落。根际相关微生物能够通过各种生理调控过程来减轻盐胁迫对植物生长的不利影响，然而，盐胁迫下植物与微生物群之间相互作用的调控机制尚不清楚。

结果

1.野生大豆生长受盐胁迫影响

作者首先使用三种浓度NaCl处理模拟盐胁迫，发现盐处理下可以提高土壤电导率（图1a），同时会影响大豆的正常生长（图1c、e），短期的盐处理并不会改变土壤总碳、总氮含量（图1b、c）。

图1.盐胁迫对植物以及土壤理化的影响

2.盐胁迫显著改变土壤中细菌多样性以及优势物种

作者之后对盐胁迫下大豆根部、根际以及土体土中的微生物进行分析，发现盐胁迫（除高浓度盐胁迫）的大豆根部在第7天和14天中香农指数提高，高浓度盐胁迫可能严重影响大豆的生长，进而限制了微生物的富集，导致香农指数没有提高（图2a）。PCA结果表明盐胁迫下大豆根部微生物群落结构显著区分与其他部分的微生物结构（图2b），根部中假单胞菌和链霉菌的丰度显著增加（图2c）。在根际中假单胞菌丰度也显著增加，但是土体土中并没有类似的现象（图2c）。以上结果表明，野生大豆根、根际土壤和土壤微生物群对盐处理的反应不同，假单胞菌富集在大豆根部以及根际土壤中。

图2.盐胁迫下各部位的微生物组分析

3.盐胁迫下大豆根系以及根际土中假单胞菌丰度显著增加

在变化最大的 10 个属中，假单胞属在根和根际样品中显示出最高丰度（累积相对丰度 > 22.17％）（图 3a、b、d）。与16S结果一致，宏基因组同样表明假单胞菌丰度在盐胁迫中显著富集（图3e），并且假单胞菌转录本的相对丰度也更高（图3f）。之后作者使用不同地区的土壤进行重复实验，发现假单胞菌在盐胁迫下仍然会富集，表明盐诱导的假单胞菌富集在不同的微生物组背景下是保守的。作者发现两株丰度最高的假单胞菌，OTU4227因根部和根际土壤中的盐胁迫而富集，而 OTU2336 则表现出明显的生态位偏好，富集在大豆根部（图3g）。

图3.Pseudomonas富集在盐胁迫的大豆根部以及根际土壤中

4.两种假单胞菌分离株缓解了盐胁迫对大豆的影响

作者从盐胁迫的大豆根部分离出34株假单胞菌，其中YE17与OTU2336相似性最高。此外，之前宏基因组数据显示，Pseudomonas stutzeri是盐胁迫的根际土壤中最丰富的假单胞菌属物种，分离株XN05-1鉴定为Pseudomonas stutzeri，因此作者采用YE17以及XN05-1进行后续实验。发现在非盐胁迫条件下，只有YE17增加了根的生长，然而在盐胁迫下XN05-1和YE17都显着改善了野生大豆根和芽的生长（图4）。表明假单胞菌菌株诱导的植物生长增强主要是针对盐胁迫条件的。之后通过qPCR发现在盐胁迫下大豆根部假单胞菌的数量更多。

图4.Pseudomonas对大豆生长的影响

5.盐处理的根际土中细胞运动基因和转录本增加

之后为了探讨盐引起的根际群落变化是否与微生物功能的变化相关，作者通过宏基因组分析关键功能途径。根据 COG 数据库，作者观察到对照与三种盐胁迫之间微生物功能存在显着差异。在盐胁迫的根际土壤中，细胞运动、以及细胞代谢相关过程显着丰富（图5a）。与细胞运动相关的基因的倍数变化在所有 COG 类别中最高。

为了更深入地了解盐胁迫下表达的功能，作者进行了独立的盐胁迫实验进行转录组分析。作者发现与细胞运动和翻译、核糖体结构和生物发生相关的差异表达基因（DEG）在盐胁迫下分别富集了2.5倍和2.0倍（图5b）。由于细胞运动基因在盐胁迫样品的微生物群体中高度转录，因此作者后续对细胞运动基因进行了更细致的分析。细胞运动基因主要包括细菌趋化以及鞭毛组装两部分。在细菌趋化方面，作者发现甲基接受趋化蛋白（MCP：FC= 6.14）和嘌呤结合趋化蛋白（CheW、FC= 4.70）的基因在眼胁迫处理中大量富集（图5c）。在鞭毛组装方面，编码鞭毛蛋白FliC的基因显著富集在盐胁迫的根际土壤中高度富集。这些结果表明，盐胁迫改变了根际群落，使表达细胞运动基因的细菌占主导地位。

为了确定有助于细菌趋化性和鞭毛组装表达增加的微生物种群，作者对相关 DEG 进行了分配分析。结果表明，盐诱导的细胞运动增加主要归因于假单胞菌（图5e、f）。此外，菌株XN05-1和YE17基因组均含有细菌趋化系统的两个主要基因簇，并且它们包括编码CheW的三个基因。总的来说，上述结果表明盐胁迫改变了根际微生物组的转录活性，特别是细胞运动性，而根际功能的变化可能是由假单胞菌属驱动的。

图5.盐胁迫对根际微生物群落功能的影响

6.根系分泌物中黄嘌呤招募假单胞菌

作者之后测定大豆根系分泌物，与微生物组进行关联分析，发现大豆根系分泌物中的N-环己基甲酰胺、黄嘌呤和 2,4,5-三甲氧基苯甲酸只有在盐胁迫中被检测到（图6a），表明它们是与盐胁迫相关的特定化合物。

由于黄嘌呤含量与盐胁迫强度成正比，并且它对人类无害且可商业购买，因此作者接下来关注黄嘌呤是否参与假单胞菌富集。 添加黄嘌呤可以显著改变大豆根际以及根部微生物组成（图6b），并且添加黄嘌呤再现了盐胁迫条件下观察到的野生大豆根内以及根际假单胞菌富集（图6c）。黄嘌呤与假单胞菌共同添加对大豆的促生效果更明显（图6d）。

作者推测运动相关基因cheW在嘌呤类物质（例如黄嘌呤）招募假单胞菌的过程中发挥重要作用。平板实验发现XN05-1和YE17均表现出对黄嘌呤的强烈趋化性，并且对嘌呤类物质都有较强的趋化性。为了进一步验证CheW对假单胞菌趋化和增强植物耐盐性的作用，作者从菌株XN05-1和YE17中敲除了3个CheW基因，发现菌株XN05-1ΔcheW3和YE17ΔcheW3仍然对黄嘌呤表现出明显的趋化性。然而，XN051ΔcheW1和YE17ΔcheW1完全失去了黄嘌呤的趋化行为，而XN05-1ΔcheW2和YE17ΔcheW2的趋化行为受损（图6e、f）。之后使用突变菌株接种盐胁迫下的野生大豆幼苗，仍然具有趋化能力的ΔcheW3突变体表现出与野生型菌株相同程度的植物生物量。趋化能力受损的XN05-1和YE17的ΔcheW1和ΔcheW2突变体均不能表现出植物生物量的增强（图6g）。这突出了运动相关基因 cheW 在宿主和相关假单胞菌相互作用中的关键作用。

图6.大豆根系分泌物中的嘌呤招募Pseudomonas

以上结果表明，在盐胁迫条件下，野生大豆会分泌特定的代谢物（例如黄嘌呤）并影响根部微生物群以吸引假单胞菌物种，进而促进盐胁迫下的植物生长（图7）。

图7.野生大豆下通过分泌嘌呤类物质招募Pseudomonas缓解盐胁迫

结 论

根际微生物群在应对环境压力中发挥重要作用。本研究首次揭示假单胞菌是盐胁迫下根际土壤中的主要和最活跃的成员，可以促进盐胁迫下野生大豆的生长，这支持了先前报道的“呼救”理论。为通过微生物改善植物非生物胁迫提供了理论支撑。

论文信息

原名：Purines enrich root-associated Pseudomonas and improve wild soybean growth under salt stress

译名：大豆分泌嘌呤招募假单胞菌应对盐胁迫

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47773-9

发表时间：2024.4

通讯作者：张成省

通讯作者单位：中国农业科学院烟草研究所