植物之间可以通过多种途径进行信息交流、感知并识别其邻居身份，然后积极调整自身代谢、以利于自身生存。许多研究发现，植物VOCs介导的种间信息交流在植物互作中发挥重要功能。作物生长和健康与根际微生物紧密相关，但是VOCs介导的植物种间互作对植物根际微生物组的影响及其机理尚不清楚。研究人员前期发现分蘖洋葱伴生可以促进番茄生长、改变番茄根际微生物组，本研究进一步解析了VOCs介导的植物种间互作对番茄根际微生物组装配的机理（图1A）。
主要结果
1、分蘖洋葱VOCs对番茄生长的影响
研究人员通过双室系统(twin-chamber system)分析了分蘖洋葱持续性VOCs对番茄生长的影响（图1B）。番茄种植于自然土壤中，分蘖洋葱分别种植于自然土壤（番茄可以接受分蘖洋葱VOCs和土壤微生物源VOCs）和灭菌土壤中（番茄可以接受分蘖洋葱VOCs）。结果表明，两种VOCs处理均促进了番茄生长（图1C）；同时，两种VOCs处理之间的番茄干重无差异。这说明了分蘖洋葱VOCs可以促进番茄生长。
2、根际微生物在VOCs介导的植物种间互作中的作用
扩增子测序分析发现，分蘖洋葱VOCs降低了番茄根际细菌α多样性、改变了细菌群落组成（图2A），增加了δ-Proteobacteria、降低了Gemmatimonadetes的相对丰度；尤其是促进了Pseudomonas, Bacillus, Chujaibacter, Acidothermus spp.的OTUs（图2B）。其中，Pseudomonas sp. OTU5587和Bacillus sp. OTU114在分蘖洋葱VOCs处理中得到了显著富集（图2C）。定量PCR进一步验证了这一结果（图2D）。
图2 分蘖洋葱VOCs改变番茄细菌群落
4、二丙基二硫醚作为活性化合物影响番茄表现
GC–MS分析发现，二丙基二硫醚是分蘖洋葱地上部释放的一种特异性挥发物（图3A）。外源施加二丙基二硫醚促进了番茄生长（图3B、C）、改变了番茄根际细菌群落（图3D），尤其是增加了Pseudomonas和Bacillus spp.的丰度（图3E、F）。
5、分蘖洋葱VOCs和二丙基二硫醚影响特异细菌在番茄根际定殖
研究人员从番茄根际分离了分蘖洋葱VOCs所促进的番茄根际Pseudomonas和Bacillus spp. OTUs的代表性菌株RV33和RV57（图4A）。然后，利用双室系统在灭菌土壤中分析了分蘖洋葱VOCs和二丙基二硫醚对RV33和RV57在番茄根际定殖的影响（图4B）。结果表明，分蘖洋葱VOCs和二丙基二硫醚能促进RV33和RV57在番茄根际定殖（图4C）。
6、分蘖洋葱VOCs通过改变番茄根系分泌物而促进特异细菌的根际定殖
Pseudomonas和Bacillus spp.在番茄根际的增加可能是因为（1）分蘖洋葱VOCs对细菌菌株的直接促进作用，（2）分蘖洋葱VOCs通过改变番茄根系分泌物的间接促进作用。研究人员首先分析了分蘖洋葱VOCs的直接作用。在双室系统的一侧种植分蘖洋葱，另一侧放置一盆自然土壤、不种植植物。结果发现，分蘖洋葱VOCs并未影响另一侧土壤中Pseudomonas和Bacillus spp.的丰度。另外，二丙基二硫醚并未影响RV33和RV57的生长和生物膜产生。
接下来，研究人员比较了经分蘖洋葱VOCs处理和未处理的番茄根系分泌物组分。结果发现，分蘖洋葱VOCs处理改变了番茄根系分泌物组分（图5A），尤其是增加了戊二酸、苹果酸、果糖、核黄素、芦丁、对羟基苯乙酮、富马酸、L-赖氨酸、L-苯丙氨酸、L-谷氨酰胺等化合物的含量（图5B）。二丙基二硫醚处理也增加了番茄根系分泌物中戊二酸、苹果酸、果糖、L-谷氨酰胺等化合物的含量。另外，苹果酸、果糖、富马酸、L-赖氨酸、L-谷氨酰胺能促进RV33和RV57生长和生物膜产生（图5C）。经分蘖洋葱VOCs和二丙基二硫醚处理的番茄根系分泌物能促进RV33和RV57的生长和生物膜产生（图5D）。盆栽试验进一步发现，经分蘖洋葱VOCs和二丙基二硫醚处理的番茄根系分泌物能促进RV33和RV57在番茄根际的定殖（图5E）。
7、分蘖洋葱VOCs所促进细菌菌株的促生特性
菌株RV33和RV57具有产生IAA、ACC脱氨酶及溶磷特性（图6A）。另外，盆栽实验发现RV33和RV57能促进番茄生长及磷吸收（图6B）。
论文信息
原名：Volatile‑mediated interspecific plant interaction promotes root colonization by beneficial bacteria via induced shifts in root exudation
译名：挥发物介导的植物种间互作通过诱导根系分泌物变化而促进有益细菌根际定殖
期刊：Microbiome
DOI：10.1186/s40168-024-01914-w
发表时间：2024.10.21
通讯作者：韦中，吴凤芝
通讯作者单位：南京农业大学资源与环境科学学院，东北农业大学园艺园林学院
编辑|周新刚
排版|唐义珂
审核|周新刚
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
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