Plant Cell Environ：根際細菌誘導植物生長促進的代謝特征

2022年6月，荷蘭瓦赫寧根生態(tài)研究所團隊在Plant Cell Environ 上發(fā)表了題為“Metabolic signatures of rhizobacteria‐induced plant growth promotion”的文章。該文主要使用植物代謝組學技術(shù)研究了不同根際細菌屬的三個菌株對三種植物的表型和幼苗代謝組的影響，確定了促進生長的根際細菌靶向的核心代謝途徑，并為利用根際細菌將植物代謝向有價值的天然植物產(chǎn)物的生物合成傾斜提供了新的途徑。
研究材料
幼苗
 
技術(shù)路線
步驟1：根際細菌誘導的植物表型變化研究；
步驟2：促進生長與根系定殖的關(guān)系研究；
步驟3：幼苗代謝組研究；
步驟4：蕓苔科植物有效和無效伙伴關(guān)系中的代謝物特征；
步驟5：類黃酮途徑在植物生長促進中的重要性研究。
 
研究結(jié)果

1. 根際細菌誘導的植物表型變化研究
作者選擇了三種植物包括擬南芥（模式植物）、西藍花（作物）和青蒿（藥用植物），分別在根尖處接種不同根際細菌屬的三個菌株Paraburkholderia graminis PHS1 (Pbg) 、Microbacterium EC8 (MB) 、Pseudomonas fluorescens SS101 (Pf SS101)，這些根際細菌在不同植物中均表現(xiàn)出促進生長和保護病原菌的作用，然后評估三種特定根際細菌屬菌株誘導的植株生長的變化。文中將根際細菌與植物相互作用分為“有效伙伴關(guān)系”（根際細菌促進植物生長）和“無效的伙伴關(guān)系”（根際細菌不會促進植物生長或減少生長）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)根際細菌對植物生長促進作用具有種屬特異性。如與未經(jīng)處理的對照組相比，Pbg-青蒿的生物量增加了近五倍，被認為是最有效的伙伴關(guān)系。根尖接種P. fluorescens strain PfSS101后可顯著增加擬南芥和青蒿的幼苗生物量（分別為63.1%±4.7和38.7%±6.3），根尖接種PfSS101可顯著降低西蘭花幼苗生物量(-22%±2.6)。接種MB只會顯著增加擬南芥的幼苗生物量，對青蒿和西蘭花幼苗和根系生物量均無顯著影響（圖1）。  
2. 促進生長與根系定殖的關(guān)系研究
在上述分析中，根系定植是在植物生長到11天時進行的。對于擬南芥、西蘭花和青蒿，Pf SS101和Pbg建立的根上的群體密度差別較小。而MB的定殖在不同植物種類間差異較大，如在擬南芥根上的種群密度為7.5±0.5*106 CFU mg-1，而在青蒿根上的種群密度低于檢出限。通過根際種群密度與特定植物表型（即生物量）之間的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)引入的根際細菌菌株的根際種群密度和幼苗/根系生物量之間沒有明顯的總體相關(guān)性。如在西藍花中，所有三種根際細菌菌株的根定殖水平相似，但植物表型差異很大：Pbg誘導幼苗生物量顯著增加，而Pf SS101誘導幼苗生物量顯著減少，MB對幼苗生物量則沒有顯著影響。
 
3.幼苗代謝組研究
采用液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)聯(lián)用的分析方法，研究了3個根際細菌菌株對擬南芥、青蒿和西蘭花中幼苗代謝組的影響，分別檢測到725、868、1908個代謝物，且在每種植物中分別至少有64%、52%、49%占比的代謝物在兩種根際菌處理之間存在顯著差異。其中接種Pbg對青蒿和擬南芥的幼苗代謝組的影響最大，分別代表了最有效和最無效的伙伴關(guān)系。此外，大部分差異代謝物是接種Pbg的植物所特有的。在西蘭花中，與PfSS101的無效伙伴關(guān)系占代謝產(chǎn)物上調(diào)的比例最大，而與Pbg的有效伙伴關(guān)系占代謝產(chǎn)物下調(diào)的比例最大（圖2）。  
4. 蕓苔科植物有效和無效伙伴關(guān)系中的代謝物特征
由于擬南芥和西藍花都屬于蕓苔科植物，因此對不同根際細菌在擬南芥和西蘭花幼苗中引起的代謝組變化進行了比較分析。硫代葡萄糖苷（GLS）是根際細菌處理后發(fā)生變化的代謝產(chǎn)物之一。GLS在有效和無效伙伴關(guān)系中的累積模式不一致，如在擬南芥中，與Pf SS101的有效伙伴關(guān)系提高了脂肪族長鏈GLS的相對水平，然而，Pf SS101和西蘭花之間的無效伙伴關(guān)系的特征是吲哚GLS和短鏈脂肪族GLS水平的增加。
另一方面，在不同的植物-根際細菌組合中，苯丙素途徑的某一分支的改變顯示出與生長促進(有效伙伴關(guān)系)或缺乏生長促進/抑制生長(無效伙伴關(guān)系)共存。如在擬南芥-Pbg和西蘭花-PfSS101之間的無效伙伴關(guān)系中，類黃酮的積累明顯增加，而在擬南芥-PfSS101之間的有效伙伴關(guān)系中，類黃酮的豐度沒有顯著變化（圖3）。  
5. 類黃酮途徑在植物生長促進中的重要性研究
作者進一步研究了Pbg對12個等基因純合子擬南芥透明種皮(tt)突變體生長的影響，這些突變體在類黃酮途徑不同分支的生物合成中的基因被破壞。在沒有Pbg的情況下，觀察到在類黃酮途徑的初始步驟被破壞的突變體顯示出與WT Col 0相似的幼苗生物量，并且比許多在該途徑的下游步驟被破壞的突變體表現(xiàn)出更高的幼苗生物量。接種Pbg導致12個突變體之間的幼苗新鮮生物量發(fā)生顯著變化，且Pbg在這些突變試驗中確實對Col 0的生長有輕微的促進作用。在所有的分析中，Pbg處理的植物表現(xiàn)出明顯的脅迫跡象，例如葉片中花青素含量的升高。有趣的是，Pbg對類黃酮途徑下游部分的突變體具有較強的促生長作用，尤其是對PA分支的突變體，表明PA分支在Pbg介導的生長促進中起著關(guān)鍵作用（圖4）。  
小結(jié)
綜上所述，文章使用了三種植物和三種根際細菌的組合，并對幼苗樣本進行了植物代謝組學的分析，發(fā)現(xiàn)檢測到的大部分代謝物（50%–64%）受到根際細菌的不同影響，且苯丙素途徑是三種植物物種中根際細菌的靶向途徑。苯丙素類途徑不同分支的差異調(diào)節(jié)顯示與植物生長促進或生長減少相關(guān)，如類黃酮生物合成的抑制與生長促進有關(guān)。