稿件来源：孙晨瑜（西北农林科技大学资源环境学院博士研究生，导师：来航线教授）
近日，西北农林科技大学资源环境学院来航线教授团队在植物-微生物互作方向取得新的进展，相关研究成果以 Harnessing biosynthesized selenium nanoparticles for recruitment of beneficial soil microbes to plant roots 为题在Cell子刊《Cell Host & Microbe》（IF2023 = 30.3）上发表。资源环境学院博士研究生孙晨瑜、硕士研究生孙斌和西北大学青年教师陈林为共同第一作者，来航线教授为通讯作者，西北农林科技大学为第一和通讯单位。
一、研究背景
植物根际促生菌（PGPRs）的成功定殖是其发挥多种有益功能的先决条件。近年来，植物根系分泌物介导的PGPRs定殖得到了广泛的研究，然而具有类似根系分泌物功能的“暗物质”及其作用机理机制仍有待挖掘。
二、研究内容
1. 硒细菌合成的纳米硒能够招募促生菌
从富硒土壤中种植的玉米根际分离出能够合成纳米硒颗粒（SeNPs）的硒细菌，发现SeNPs能够以剂量依赖的方式诱导促生菌芽孢杆菌趋化性和生物膜形成。此外，向取自不同地区的天然土壤中外源施加SeNPs同样能够富集宿主有益土壤微生物芽孢杆菌（图1）。
图1 硒细菌合成的纳米硒能够招募促生菌
2. 芽孢杆菌是植物-微生物相互介导硒细菌高效合成SeNPs的关键细菌
考虑到SeNPs对促生菌的募集和植物性能的提高呈现剂量效应，进一步揭示了植物-微生物系统中硒细菌高效合成SeNPs的机制。先前的研究发现，合成微生物群落（SynComs）在促进植物生长和维持植物健康方面比单菌效果更好。因此，将不同属的硒细菌随机构建了多个SynComs，每个SynCom含有3-5种硒细菌而细胞数量保持一致。
首先，测试了SynComs中硒细菌之间是否存在相互作用促进SeNPs合成。发现组成SynComs的单菌的SeNPs合成效率越高，该SynComs的SeNPs合成效率也越高，但低于单菌的合成效率。结果表明，硒细菌之间没有直接相互作用促进SeNPs合成。
接下来测试了植物根系分泌物是否参与调控硒细菌合成SeNPs。分根试验表明，在添加了生长在灭菌土壤中的玉米根系分泌物后，所有SynComs的SeNPs合成速率较不施加根系分泌物没有明显变化。然而，含有芽孢杆菌的SynComs（例如SynCom19）在添加了接种该SynComs的植物根系分泌物后，SeNPs合成效率显著提高，并超过了所有单菌。
在SynCom19的菌株水平上进行了测试，发现添加Bacillus sp. ZY519接种下的植物根系分泌物增加了所有SynCom19菌株成员的SeNPs合成速率。这种根系分泌物没有明显影响到SynCom19菌株成员的生长。SynCom19其他成员菌株不具有该功能。结果表明，芽孢杆菌作为关键细菌介导植物根系的代谢重编程，特异性地刺激根际硒细菌合成SeNPs（图2）。
图2 芽孢杆菌是植物-微生物相互介导硒细菌高效合成SeNPs的关键细菌
3. 芽孢杆菌产生的组胺是介导硒细菌高效合成SeNPs的初级跨界信号
进一步测试了不同硒细菌代谢产物介导的根系分泌物变化是否影响硒细菌合成SeNPs。发现添加Bacillus sp. ZY519代谢物刺激下的植物根系分泌物增加了所有SynCom19菌株成员的SeNPs合成速率。为了鉴定信号代谢物，对SynCom19菌株成员的代谢物进行非靶代谢组学分析。基于随机森林、差异表达分析和Mantel检验，Bacillus sp. ZY519产生的组胺被视为候选代谢物。通过组胺外源添加试验，证实了该物质是由芽孢杆菌产生的介导硒细菌高效合成SeNPs的初级跨界信号（图3）。
图3 芽孢杆菌产生的组胺是介导硒细菌高效合成SeNPs的初级跨界信号
4. 植物产生的对香豆酸是介导硒细菌高效合成SeNPs的次级跨界信号
基于广靶代谢组学揭示了组胺诱导的植物根系分泌物变化，不施加组胺为阴性对照，接种菌株ZY519为阳性对照。与阴性对照相比，组胺施加和ZY519接种下的植物根系分泌物中对香豆酸及其衍生物的相对丰度及VIP值更高。基于Mantel检验，发现对香豆酸及其衍生物的相对丰度与硒细菌的SeNPs合成速率显著相关。进一步对候选代谢物对香豆酸进行功能验证，发现该物质的施加能促进硒细菌合成SeNPs（图4）。
图4 植物产生的对香豆酸是介导硒细菌高效合成SeNPs的次级跨界信号
5. 对香豆酸通过上调硒细菌中的rpoS的表达积极调控SeNPs合成
为了揭示硒细菌响应植物根系分泌物进而积极调控SeNPs合成的分子调控机制，对施加和未施加对香豆酸的硒细菌进行了转录组学分析，鉴定出了一个潜在的关键转录因子基因rpoS。通过基因敲除证实了其功能——根系分泌物对香豆酸以RpoS依赖的方式介导硒细菌高效合成SeNPs（图5）。
图5 对香豆酸通过上调硒细菌中的rpoS的表达积极调控SeNPs合成
三、作者团队简介
来航线教授团队近年来以功能微生物及其代谢产物的根际微生物组及植物免疫调控为核心，系统揭示了：1.功能微生物介导下“植物-土壤-微生物”的互作关系；2.“功能微生物-土著微生物”互作改善植物根际微生态的互作机制；3.“功能微生物—植物”互作提高植物抗性、改善品质的互作机理。相关研究成果发表在Soil Biology and Biochemistry、Food Research International、Biology and Fertility of Soils、Plant and Soil等杂志上。
统筹监制：
张犇（山西大学生命科学学院）
朱墨（河南师范大学生命科学学院）
柳海涛（河南农业大学资源与环境学院）
责任编辑：
崔江宽（河南农业大学植物保护学院）
国志信（河南农业大学园艺学院）
郭建伟 （昆明学院云南省都市特色农业工程技术研究中心）
蒋伟（湘湖实验室/南京农业大学）
李正男（内蒙古农业大学园艺与植物保护学院）
李博（湖北省农业科学院粮食作物研究所）
廖新阳（四川农业大学农学院）
毛根林（广东省农业科学院果树研究所）
舒灿伟（华南农业大学植物保护学院）
孙娟（河南农业大学农学院）
夏子豪（沈阳农业大学植物保护学院）
肖金宝（西北农林科技大学农学院）
许轲（德国波鸿大学）
徐世强（广东省农业科学院作物研究所）
朱玉涛（河南城建学院生命科学与工程学院）
