根毛发育调控因子协调干旱诱导的微生物组变化及其与有益根瘤菌的互作

Root hair developmental regulators orchestrate drought triggered microbiome changes and the interaction with beneficial Rhizobiaceae

Article，2024年11月20日，Nature Communications，[IF=14.7]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54417-5

第一作者：王正洪、李泽文

通讯作者：宋毅

合作作者：张玉洁；廖景烨；官凯祥；翟景瑄；孟鹏飞；唐贤礼；董涛

主要单位：南方科技大学生命科学学院，植物与食品研究所

全球气候变化环境下，干旱是陆地植物和农业生态系统所面临的最严峻的非生物胁迫之一。干旱胁迫也是造成土壤微生物生态系统退化，根系微生物组益生机能减退的重要因素。大量微生物生态学研究系统揭示了干旱对根系微生物生态系统的影响规律，暗示植物在非生物胁迫下可能也存在主动富集、重塑抗旱微生物组的“cry for help”求救策略。然而长期以来哪些植物内源的遗传调控因子参与积极重塑有益的抗旱微生物组依然缺乏系统的遗传学证据。

由于根毛是植物根系吸水和与微生物互作的重要前沿细胞类型，南方科技大学宋毅课题组通过利用多个根毛发育（根毛密度减少和增多）突变体，发现多根毛突变体gl2可诱导干旱根内微生物群落确性组装，并特异性诱导有益根瘤菌的富集。本研究通过高通量分离菌株鉴定以及多体系（PEG平板及土壤体系）还原接菌验证，证实了受根毛相关突变体影响的根瘤菌菌株能够提升植物抗旱性，并揭示其背后的转录组学机制。此外，宏基因组研究表明干旱下微生物精氨酸和脯氨酸代谢通路关键功能基因（如编码鸟氨酸环化脱氨酶的ocd基因）在gl2根系微生物组显著富集。进一步通过细菌遗传敲除试验表明该基因显著影响干旱保护性根瘤菌对氧化胁迫的适应性，也显著降低了其植物干旱缓解效应。本研究通过遗传学和整合多组学交叉手段证实了宿主遗传效应在干旱下植物-微生物互作动态中的作用，揭示了根瘤菌介导的非生物胁迫保护机制，拓展了逆境下非豆科植物与根瘤菌有益互作生理生态学机理的认识。

植物根际微生物显著影响植物的逆境适应性。多项研究表明，植物遗传效应在多种胁迫下参与调控植物对有益微生物的招募。干旱作为植物最主要的非生物胁迫，造成的农业产量损失超过其他所有生物胁迫总和。尽管已有研究报道了干旱对植物根际微生物组成的显著影响，但宿主效应如何在干旱下重塑植物根相关微生物组仍缺乏遗传学证据。研究植物遗传效应如何在干旱下重塑根部相关微生物组，将进一步推动我们对植物-微生物组共生体如何适应干旱的理解，并有助于通过微生物组工程提高植物干旱耐受性。

植物遗传突变体为研究植物效应如何在胁迫下塑造植物微生物组提供了强有力的证据。根毛作为根表皮细胞重要分化形式之一，对于根系养分和水分吸收，光合产物释放（根系分泌物形式）等过程至关重要。但是根毛发育调控因子如何协调干旱诱导的植物-微生物互作进而影响植物干旱适应性还不清楚。植物主要转录因子GLABRA 2负责维持非毛细胞命运，并负向调控根毛的启动与发育。相应地，上游的helix-loop-helix (bHLH)转录因子，包括根毛缺陷基因6（ROOT HAIR DEFECTIVE 6，RHD6）及其同源基因RHD6-LIKE 1（RSL1），则正向调控两个紧密相关的下游bHLH转录因子（RSL2和RSL4）的表达，以促进根毛的发育，rsl2 rsl4双突变体表现出根毛的完全缺失。因此，利用不同根毛密度的遗传突变体可帮助解析植物效应是否及如何参与调控干旱下的植物-微生物组动态。

本研究拟通过微生物组测序解析根毛发育调控因子对干旱下根相关微生物群落组成及装配模式的影响，并识别在干旱下受根毛调控因子影响的关键类群或微生物；通过微生物培养组学还原验证关键微生物干旱保护效应（表型）及其植物保护机制（转录响应特征）;结合宏基因组学鉴定关键微生物功能基因，并通过微生物遗传操作进行验证。由此，综合探讨干旱下根毛发育调控因子介导的植物-微生物的互作及调控机制。

图1 根毛发育调控因子显著干旱下影响根相关微生物群落组成且gl2诱导根内微生物群落确性组装。

a-b. 不用基因型根相关微生物组alpha，beta多样性组成；

c-d.不同基因型根际微生物组装模式及不同驱动因素占比。

图2 多组学揭示根瘤菌干旱保护性功能菌株生长速率，氧胁迫适应性及其植物干旱保护效应依赖于脯氨酸代谢通路关键基因ocd。

a. ocd基因在Rhizobium sp. 4F10基因组位置示意图

b. ocd基因介导L-Ornithine到L-Proline的转化

c-e. Rhizobium sp. 4F10及其突变菌株△ocd接菌表型，初生根长及鲜重统计

f. Rhizobium sp. 4F10及△ocd生长速率差异

g-h. Rhizobium sp. 4F10及△ocd氧胁迫适应性差异

图3 干旱下植物根系-根瘤菌互作的模型图。

a 不同根毛发育调控因子的突变体在干旱条件下影响根部代谢物（如氨基酸和类黄酮）；gl2诱导干旱下根内微生物确定性组装并特异性富集根瘤菌科相关微生物，增加了其在微生物网络中的重要性，此外，gl2根内微生物组富集微生物氨基酸代谢转运蛋白功能通路。

b 干旱保护性根瘤菌主要诱导植物保护性糖（trehalose）生物合成和干旱应答转录因子（TFs）等的表达增强其干旱适应性。此外，其通过根瘤菌关键基因通过影响自身生长速率以及干旱下的氧胁迫适应性进而影响其对植物的干旱保护效应。

本研究首先通过灭菌土实验确定了根毛发育调控因子显著影响微生物介导的干旱保护效应。随后通过微生物组，细菌分离培养组，接菌还原验证，细菌遗传操作等交叉学科研究手段，揭示了根毛发育调控因子重塑干旱下根际微生物群落的机制。研究鉴定了受根毛发育调控因子主要影响的标志类群并验证了其植物干旱保护效果，阐明了干旱保护性根瘤菌菌株如何诱导植物转录重编程并加强干旱适应性的机理。同时，通过微生物遗传敲除手段，揭示了根瘤菌适应干旱下根际环境的遗传调控因子。研究整合揭示了宿主遗传效应塑造干旱保护微生物组的重要作用，及其背后的遗传和生态学机制。

南方科技大学郭红卫讲席教授为本课题提供了遗传材料和重要指导，南方科技大学生科院副院长董涛教授参与指导微生物遗传转化体系的构建。天然土壤的采集收到中科院昆明植物所和华南农业大学等单位支持。

Wang, Z., Li, Z., Zhang, Y. et al. Root hair developmental regulators orchestrate drought triggered microbiome changes and the interaction with beneficial Rhizobiaceae. Nat Commun15, 10068 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54417-5