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植物内生菌与植物的营养吸收密切相关，深入理解植物根系与内生菌之间的互作关系可为改善植株的磷营养提供新思路。本文作者对50个磷吸收敏感性差异显著的甘蓝型油菜（Brassica napus L.）核心种质的侧根与内生菌之间的互作进行了系统表征。通过分析油菜侧根中内生细菌丰度与植物生理指标之间的相关性，并结合平板和土壤接种实验，作者成功分离并鉴定出一株能够显著缓解油菜缺磷表型的 Flavobacterium 菌株（C2）。进一步通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）和以 Flavobacterium 丰度为数量性状的全基因组关联研究（GWAS），探讨了其潜在的作用机制。在低磷条件下，C2通过调节脂肪酸和脂质代谢途径发挥作用，例如改善了亚油酸代谢，促进了亚油酸介导的油菜根系木栓质生物合成，从而提升了植株的磷吸收效率。此外，C2还能够抑制根中依赖于α-亚麻酸代谢的茉莉酸生物合成，从而改善C2的根系定殖并激活磷吸收途径。该研究表明，通过调控植物内生菌群落的组成，可有效改善甘蓝型油菜的磷营养，为开发新型农业微生物制剂提供科学依据。
一、50个核心油菜品种对低磷响应的农艺性状相关表达模块的鉴定
作者首先从991份油菜资源中筛选出在遗传多样性上差异较大的272个品种，并将其种植在低磷和正常磷条件下的四个地块中（每个品种种植50株）。在不同生态型（春性、半冬性、冬性）品种的低磷处理和对照处理下，通过观察幼苗阶段的表型差异，最终选取了50个表现稳定的品种用于后续分析。研究者对这些品种在低磷（LP）和正常磷（CK）条件下进行了对照处理，并采集其侧根样本用于转录组分析。结果显示，低磷条件显著降低了油菜地上部分的磷含量（P）、植株干重（SD 和RD）以及土壤到植株的磷吸收率（ABS）。转录组分析进一步揭示，这些核心品种在低磷条件下的根系表现出显著的响应差异，不同生态型之间的反应模式也存在显著差异。基因本体（GO）富集分析显示，低磷条件下差异表达基因（DEGs）在磷离子转运和磷饥饿响应等生物过程中显著富集。通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究者将基因表达模块与农艺性状（如植株干重、根重和磷吸收率）进行关联，最终确定了7个关键模块，这些模块主要富集于磷酸盐运输、酮体响应以及糖脂代谢等关键生物过程中。![]()
图1 与缺磷（P）相关的差异表达基因（DEGs）的鉴定
a.油菜（Brassica napus L.）根系的多数据集整合分析。b. 三种生态型在正常和缺磷条件下的地上部干重（SD）、根干重（RD）、总磷含量（P）以及磷从土壤到地上部的吸收率（ABS）箱线图。c. 基于差异表达基因的 399 个样本的前两个主成分（PC1 和 PC2）的 PCA 图。d. 与磷限制相关的三种生态型中 DEGs 的基因本体（GO）富集分析（左），以及与磷饥饿响应和磷转运相关的核心 DEGs 表达的热图表示（右）。e. 模块-性状相关性分析。f. 对紫色、深红色、绿色、橙红色、浅绿色、深橄榄绿或黄绿色模块中的基因进行 GO富集分析。
二、侧根中的微生物共现性网络互作
作者通过对油菜侧根进行16S rRNA测序，共鉴定出38,876个扩增子序列变体（ASVs），隶属于545个科和1,377个属。主坐标分析（PCoA）和Beta多样性差异分析表明，不同生态型（春性、半冬性、冬性）油菜在磷限制条件下的响应存在显著差异。在低磷环境中，黄杆菌属（Flavobacterium）、假节杆菌属（Pseudarthrobacter）和嗜麦芽窄食单胞菌属（Stenotrophomonas）的丰度平均降低，而未分类的丛毛单胞菌科（unclassified_f__Comamonadaceae）、原小单孢菌属（Promicromonospora）和泛菌属（Pantoea）的丰度显著增加。进一步分析发现，黄杆菌属的丰度与油菜地上部总磷含量呈显著正相关，而未分类的丛毛单胞菌科和原小单孢菌属的丰度则与总磷含量呈显著负相关。此外，黄杆菌属是唯一在三种生态型中丰度变化趋势一致的细菌属。对丰度最高的17个细菌属进行相关性分析后，作者构建了它们在根部的互作网络。在正常磷（CK）和低磷（LP）条件下，分别检测到46个（其中黄杆菌属有4个）和48个（其中黄杆菌属有6个）显著相关性。通过相关性分析，研究确定了12个与黄杆菌属丰度显著相关的基因表达趋势模块。其中，浅绿色模块和深橄榄绿色模块均与黄杆菌属丰度及四个关键生理指标（地上部干重 SD、侧根干重 RD、磷含量 P、吸收速率 ABS）显著相关。浅绿色模块中的基因（如4-香豆酸-辅酶A连接酶 [4CL]）在低磷条件下显著下调，参与苯丙烷类生物合成和α-亚麻酸代谢途径；深橄榄绿色模块中的基因（如丙酮酸激酶 [PK]）在低磷条件下表达水平显著上调，富集于糖酵解过程。![]()
图 2 缺磷对根际微生物多样性的影响
a. 基于标准化 ASV 丰度的 beta 多样性差异分析结果。b. CK 和 LP 样本中 17 个最丰富细菌属的相对丰度（平均值）。c.细菌科水平与地上部磷含量的相关性分析。d. 基于相关性分析鉴定与黄杆菌丰度和四种表型（地上部干重（SD）、侧根干重（RD）、磷含量（P）和吸收率（ABS））均相关的模块。e. 基于 RNA - seq 数据的与苯丙烷类生物合成和糖酵解过程相关的核心差异表达基因（DEGs）表达水平的热图表示。
三、核心Flavobacterium内生菌株的分离
作者从油菜侧根中纯化并鉴定了4株黄杆菌内生菌（L2P42D4、L2P42H1、L2P02C2和L2P24B9）。通过平板接种实验发现，其中部分菌株能够显著提高油菜地上部或根部的鲜重，其中L2P02C2（简称C2）表现出显著缓解磷饥饿对油菜（ZS11）营养生长抑制的能力。扫描电子显微镜观察显示，C2能够附着于ZS11侧根表面，并在根中柱区域成功定殖。进一步研究表明，C2具有溶磷活性，可通过降低液体培养基的pH值实现磷的溶解，但不具有钾溶解和固氮能力。此外，作者构建了C2的高质量基因组序列，揭示其基因组中包含参与多种代谢反应的基因，且存在与柔红素生物合成相关的基因簇。基于16S rRNA数据的分析，作者研究了与C2相关的ASVs丰度及其与其他菌株的关系，结果表明，具有相似功能的菌株是油菜根内生黄杆菌种群的重要组成部分。![]()
图3 与磷饥饿响应相关的核心黄杆菌的分离
a. 在对照（CK）、低磷（LP）以及接种了四种黄杆菌菌株之一的LP培养基上ZS11发芽后7天的生长状况b. 在Mock（左）或接种C2后（右）生长的ZS11侧根表面的扫描电子显微镜图像。c. C2在ZS11根中的定殖模式d. 黄杆菌C2在Pikovskaya固体培养基上的溶磷晕圈以及在Pikovskaya液体培养基中培养时的pH变化趋势。e. 基于KEGG注释的与代谢相关的基因数量的黄杆菌C2饼状图。f. 关键化合物生物合成簇或代谢途径示意图。
四、Flavobacterium C2的功能特征描述
对ZS11和6个代表性油菜品种进行土壤培养实验发现，在低磷（LP）条件下，不同品种的鲜重下降幅度存在差异，其中低磷敏感品种的变化更为显著。接种C2后，各品种的鲜重均有所增加，尤其在R5149中表现突出。此外，ZS11和R5149的平板实验结果也表明，接种C2显著促进了植株的生长。这表明C2通过根系定殖能够缓解磷限制条件下的生长抑制效应，对低磷敏感品种的作用尤为明显。以ZS11为材料开展准靶向代谢组分析，主成分分析（PCA）显示，接种C2显著改变了油菜幼苗在低磷胁迫下的代谢物组成。KEGG通路富集分析表明，在LP条件下，接种C2导致部分代谢物丰度下降，同时促进了苯丙氨酸等物质的水平提升及相关生物合成过程。接种C2还显著增加了根部蔗糖的积累，使中间代谢物进一步进入三羧酸循环（TCA循环）或相关代谢途径。卢戈氏溶液染色实验结果显示，在LP样品中，ZS11侧根尖端淀粉积累明显高于CK和LP + C2样品。RT-qPCR分析验证了五个关键基因的表达模式：浅绿色模块中的 GMD1 基因在低磷条件下受到抑制，而深橄榄绿色模块中的四个基因在LP条件下表达水平显著上调，且接种C2进一步加剧了这些基因的表达变化。结果表明，接种C2能够减少油菜根在低磷条件下的淀粉积累，促进底物进入TCA循环，从而缓解低磷胁迫对植株生长的负面影响。![]()
图4 黄杆菌C2的功能鉴定
a. 在接种或未接种C2的土壤中种植的ZS11和其他6个核心油菜品种的地上部或根部鲜重的统计结果。b. 在接种或未接种C2的土壤中种植的21天龄ZS11和R5149植株的生长状况。c. 在接种（C2）或未接种（模拟对照）C2的无菌1/2 MS培养基上，R5149和ZS11（发芽后7天）的生长状况。d. 基于图4b中根样本的差异丰富代谢物的主成分分析（PCA）图。e. 土壤培养材料中糖酵解途径核心基因（基于实时荧光定量PCR（RT - qPCR）结果。f. 用卢戈氏溶液对ZS11侧根尖端进行淀粉质体染色及淀粉质体数量。
五、鉴定和验证与脂质代谢介导的木栓质和茉莉酸生物合成相关的核心基因
对黄杆菌ASV丰度变化进行全基因组关联分析（GWAS）共鉴定出221个基因，其中包括参与木质素和木栓质生物合成及茉莉酸（JA）信号通路的关键基因，例如 ABCG2、CYP86B1、KCS20 和 JAZ13，且有两个基因与加权基因共表达网络分析（WGCNA）中浅绿色模块的基因重叠。研究进一步筛选了9个与相关生物合成途径密切相关且受低磷处理和C2接种影响的基因（如 PAL2、CYP73A5 等），通过RT-qPCR验证发现，在低磷（LP）条件下，这些基因的表达水平普遍下降，而接种C2可提高部分基因的表达水平。通过测定相关代谢途径中关键化学物质的含量，研究发现低磷条件下油菜中茉莉酸（JA）积累显著增加，而部分代谢中间产物减少。接种C2后，某些代谢物的含量发生改变，例如松柏醇和对香豆醇含量增加，而其他物质含量则降低。在低磷条件下，油菜根部木栓质沉积减少，木质化水平和JA积累增加；然而，接种C2能够恢复木栓质的生物合成和运输，同时缓解JA生物合成，调节相关代谢物的分布，从而可能提高磷吸收效率并促进油菜的生长。此外，C2基因组注释显示其包含与JA生物合成途径相关的两种关键限速酶基因：乙酰辅酶A氧化酶（ACX）和乙酰辅酶A酰基转移酶（ACAA）。在低磷条件下，接种C2显著降低了 ACX2s 和 ACAA2s 的表达水平。进一步实验表明，在低磷平板上接种C2能有效促进油菜根的发育，而额外施用外源茉莉酸甲酯（MeJA）显著抑制了模式植物 Col-0 和 acx2-1/3-6 突变体幼苗的根发育。综上所述，在磷限制条件下，C2通过调节油菜根部木栓质的分布并抑制JA的过量生物合成，改善了根系对磷的吸收效率和植物的营养生长。![]()
图5黄杆菌C2对油菜脂肪酸代谢的影响
a. 基于全基因组单核苷酸多态性（SNPs），黄杆菌在低磷（LP）相对于对照（CK）中扩增子序列变体（ASV）丰度变化的关联信号曼哈顿图。b.与α - 亚麻酸代谢介导的根茉莉酸合成相关的土壤培养材料中关键代谢物含量（基于代谢组数据）和核心基因表达水平（基于实时荧光定量PCR变化的热图。c. ZS11第三侧根中木栓化区域的不同沉积情况。d. 茉莉酸（JA）和脱落酸（ABA）含量。
在低磷条件下，油菜幼苗会减少其根部木栓质的沉积，以促进根部对磷的吸收。然而，显著升高的木质化水平以及茉莉酸（JA）、淀粉和其他产物的积累，限制了低磷条件下侧根的伸长。解磷细菌C2能够向土壤中释放有机酸，以增强磷的溶解性并增加土壤中无机磷酸盐（Pi）的含量。此外，C2重构了根部由α - 亚麻酸代谢介导的JA和木栓质生物合成网络，这改善了C2的定殖情况以及油菜的营养生长（图6）。![]()
图6 黄杆菌C2介导的植物生长和土壤改良的假设模型。
溶磷细菌C2能够通过介导油菜（Brassica napus L.）根系脂质的再分配，有效缓解低磷环境中营养生长的限制。
论文信息
原名：Multiomics dissection
of Brassica napus L. lateral roots and endophytes interactions
under phosphorus starvation
译名：磷饥饿条件下甘蓝型油菜（Brassica
napus L.）侧根与内生菌互作的多组学解析
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-54112-5
发表时间：2024年11月
通讯作者：Peng Yu, Daojie Wang, Xinping Chen & Nannan Li
通讯作者单位：Crop Functional Genomics, Institute of Crop Science and Resource Conservation, University of Bonn, Bonn, Germany；College of Agriculture, State Key Laboratory of Crop Stress Adaptation and Improvement, Henan University, Southwest University
南京农业大学-土壤微生物与有机肥料团队
微生态与根际健康实验室
Lab of rhizosphere Micro-ecology
立足国家重大需求，探索前沿学科交叉
创新根际微生态研究、培养产教研创新人才
提升环境土壤生物一体化健康
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