文章题目：Rhizosphere microbiome mediates systemic root metabolite exudation by root-to-root signaling
期刊：PNAS
影响因子：9.58
发表时间：2020
参考文献：Korenblum E, Dong Y, Szymanski J, Panda S,Jozwiak A, Massalha H, Meir S, Rogachev I, Aharoni A. Rhizosphere microbiomemediates systemic root metabolite exudation by root-to-root signaling. ProcNatl Acad Sci U S A. 18, 117(7):3874-3883 (2020). DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1912130117.
1.研究背景
l根系微生物能够调控寄主植物的生长、健康和发育。然而，人们尚不清楚根际微生物群落是否/如何调控根系代谢组、植物如何调节地下部复杂的互作网络。
2.研究目的
l探讨根系微生物如何调控寄主植物的根际代谢和根系分泌物，特别是通过系统性诱导根系代谢物渗出（SIREM）的机制。
3.主要研究问题包括：微生物是否 / 如何调控根际代谢和根系分泌物；植物如何对地下复杂的交互环境做出响应
4.科学问题
l分析根际微生物组诱导根和芽的系统代谢变化
l揭示SIREM 相关代谢产物在根中特定位置上的积累
l根系微生物定殖对寄主转录的系统调控
5.实验材料与方法
裂根实验：番茄根部分为两部分水培，左侧施加处理，右侧作为检测，分为三个处理组，在左侧施加土壤稀释液，三个浓度梯度。总共培养28天，取样。
6.结果与讨论
l作者使用基质辅助激光解吸 / 电离质谱成像技术（matrix-assisted laser desorption/ionization-mass spectrometry imaging，MALDIMSI）研究根系不同位置上由 LC-MS 鉴定到的代谢物的积累情况。由于技术限制，MALDIMSI 检测的整个根，而 LC-MS 检测的是 SS 端的根系分泌物。Acylsucrose S1:5 定位在侧根尖，S4:19 主要是分布在主根的根毛上 ；SGAs，木脂素，羟基肉桂酸和有机酸等代谢物在整个根部都有积累。这些结果表明，代谢物在根的不同部位上积累，而且非均匀地分布。
l作者使用对各种数据库进行联合分析，发现一定量的转录代谢变化和土壤微生物中特定的微生物相关，其他则和遗传多样的细菌相关。PIM-Hex 多和假单胞菌（Pseudomonadales）相关，而且和假单胞菌相关的 OTU 多和阿魏酸己糖的两个异构体相关。其中一个 OTU 属于芽孢杆菌（Bacillales），深入研究发现这个 OTU 驱动了茎中与固醇合成相关的基因的表达。除此之外，还影响着果呋喃糖和吡喃葡萄糖的根部积累，以及十二种被各种长度的酰基链酯化的酰基糖（酰基蔗糖和酰基葡萄糖）的渗出。
l作者从上述两个 cluster 中挑选了 Pseudomonas fluorescens SBW25 和 Bacillus subtilis 3610 进行验证。接种这两个菌后分析收集于 SS 端的根系分泌物。发现单个菌接种后代谢没有发生显著变化。酰基糖 S4:17 的两个异构体在 3610 和 SBW25 分别接种后在 SS 端浓度高于 LS 端。
l为了进一步验证特定细菌的功能，作者还比较了 4 种可催化番茄腺毛中酰基糖的酰化的酰基糖酰基转移酶（ASAT1, ASAT2, ASAT3, 和 ASAT4）的表达差异。其中 3610 对这 4 中酶的表达都没有影响；SBW25 能够显著诱导 ASAT4 的表达。这些结果表明，B. subtilis 3610 可以通过诱导其他尚未知的 ASAT 基因来诱导酰基糖的分泌。于是，作者研究了 42 个属于同一进化分支的酰基转移酶的表达水平，发现其中有 15 个基因发生了显著的变化。其中的 Solyc01g105550 和 Solyc01g105590 与 Sl-ASAT4 进化关系很近。Sl-ASAT4 酶负责通过使用乙酰辅酶 A 乙酰化三酰基蔗糖来在番茄毛状体中产生四酰基化酰基蔗糖。这两个酶是番茄 根部四酰基蔗糖合成的候选酶。如果事实如此，那就能说明为什么在接种 3610 后的 SIREM 过程中四酰基蔗糖 S4:17 的含量会显著升高。
图1 .在SIREM中分泌的酰基糖和SGAs定位于特定和不同的根区。(A, E, I)用于MALDI-MSI分析的番茄根部光学图像。白色虚线表示MALDI-MSI分析的区域。(B)酰基蔗糖S1:5的MALDI-MSI, m/z 427.18±0.01 Da;(C)酰基蔗糖S4:19, m/z 665.33±0.01 Da;(F和J)羟基番茄碱，m/z 1050.54±0.01 Da;(G和K)脱氢番茄碱，m/z为1032.54±0.01 Da。代表每种代谢物的光谱强度以假色显示。(D, H, L)酰基蔗糖或SGAs假彩色MALDI-MSI图像的重叠。B和D中的箭头指向侧根尖端S1:5的具体积累。脱氢番茄碱主要沿主根分布，脱氢番茄碱也沿侧根分布。
图5.SIREM相关数据的集成。热图代表了已知的系统反应相关基因(绿色)和细胞壁生物合成相关基因(黄色)的表达，这些基因在(A)芽和(B)根中表达，受到本地根微生物组的显著调节。诱导基因(从红色到白色)和抑制基因(从白色到蓝色)被描述为相对于处理过的植物的log2(折叠变化)。液态氧,9-lipoxygenase;中电控股,几丁质酶;CSL:纤维素合成酶样蛋白;XEH，木葡聚糖内转糖基化酶水解酶;XET，木葡聚糖内转糖基化酶;CS:纤维素合酶;GlPt，甘油-3-磷酸转运蛋白;PR5，病原体诱导蛋白5;枯草杆菌样蛋白酶;EDS，增强型抗病样蛋白;DES，二乙烯醚合成酶;PR4，病原体诱导蛋白4;延伸蛋白样蛋白;CB，钙结合蛋白;核黄素生物合成蛋白。基因注释和数值可以在数据集S4 B和e中找到。(C)代表集成数据(即微生物组学，转录组学和代谢组学)的选定SOM集群。对数据集进行过滤，以包括具有显著根微生物组效应的变量(方差分析P值≤0.05)。将变量的箱形图映射到三个SOM集群。OTU在这些团簇中的积累在特定的细菌群中富集;聚类7和11积累了与假单胞菌相关的OTU，聚类9积累了1个与芽胞杆菌相关的OTU。
