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编译：褚俊聪 排版：黄俊龙
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原名：Lateral root enriched Massilia associated with plant flowering in maize
译名：玉米侧根富集的Massilia与植株开花相关
期刊：Microbiome
2023年影响因子：13.8
在线发表时间：2024.7.9
通讯作者：于鹏 教授 yupeng@uni-bonn.de
第一单位：德国波恩大学
植物根系通过根际与环境相互作用，根际是直接受植物根系特性和活动影响的狭窄土壤区域。由于根、微生物和土壤之间存在复杂的相互作用，根际被视为一个自组织（self-organizing）系统，这可以通过基于空间分辨率的系统方法来理解。
侧根和根毛是根系结构的主要决定因素。它们增加了根表面积，有助于作物获取水和养分，通过根系可塑性在适应胁迫环境（如养分缺乏的土壤）方面具有很大的作用。
植物与土壤微生物之间的有益关联对于作物的适应性和恢复力提高至关重要。根系、根际微生物组有助于缓解植物面临的养分缺乏等胁迫压力。
然而，植物和微生物在根-土界面的跨区室（compartment）相互作用，对根际微生物群落构建及植物生长的潜在影响，依然研究不足。
根-土界面不同区室的微生物群落特征如何 特异性富集的微生物如何是否与植物基因互作而改变植物性状
本研究进行玉米基因型和土壤养分条件双因素完全随机盆栽实验。玉米基因型有7个水平：野生型（WT）B73，冠根和种子根缺陷型rtcs，种子根和侧根缺陷型rum1，侧根缺陷型lrt1，根毛缺陷型rth3、rth5和rth6。土壤养分条件有三个水平：完全施肥养分土壤，不施氮肥/低氮土壤，不施磷肥/低磷土壤。每个处理均有4次生物学重复。同时准备不种植玉米的土盆，用于散装土（bulk soil）/非根际土样品的采集。
培养4周后进行根-土界面分区室样品采集（如图1A所示），包括：非根际土、主根根际土（Rh_PR）、侧根根际土（Rh_LR）、主根（PR）、侧根（LR）、皮层（Cortex）和中柱（Stele）。
RNA测序分析根转录组，16S rRNA基因测序分析根系/根际的微生物（细菌）组。研究根系性状如何调节微生物组，以及植物-微生物互作对植物发育的影响，为建立有益的植物-微生物关联以增强植物对环境胁迫的耐性提供新见解。
1、区室特异性的根转录组与细菌群落组成相关
区室主导了根组织的基因表达，而非植物基因型或非生物胁迫（图1B）。置换多元方差分析（PERMANOVA）显示了根区室、基因型和土壤养分条件三因素对根转录组/基因表达的影响：根区室效应>基因型效应>土壤养分条件效应。此外，主成分分析（PCA）显示主根和侧根的转录组与皮层和中柱有很大不同。
区室决定了微生物组特征。微生物群落丰富度，由非根际土、根际土到根组织，不断降低（图1C）。根区室、基因型和土壤养分条件三因素对微生物群落的影响（图1D）：根区室效应>>基因型效应>土壤养分条件效应。主坐标分析（PCoA）发现，主根和侧根的微生物组与皮层和中柱也有很大不同。
以上说明，根转录组和微生物组的空间模式彼此同步。
2、侧根突变显著改变植株基因表达和细菌群落组成
为比较根毛和侧根对各个区室的转录组和微生物组的影响，将所有基因型分为三组：一是有侧根和根毛（WT和rtcs），二是有根毛但无侧根（rum1和lrt1），三是有侧根但无根毛（rth3、rth5和rth6）。
PERMANOVA和PCoA/PCA结果表明，侧根缺陷突变对微生物组群落组成和转录组变化的影响比根毛缺陷突变强得多（图2A-C）。
对每个突变体和野生型之间的细菌和植株基因进行成对差异丰度/表达分析（图2D）。侧根缺陷突变体rum1和lrt1在主根和主根根际土中存在100 ~ 300个差异丰度OTU。同时，侧根突变体在主根、皮层和皮层中鉴定到> 1800个差异表达基因。相比之下，根毛缺陷突变体的差异丰度OUT/表达基因则少得多。
3、侧根突变驱动的根系微生物组和基因表达的功能预测
PICRUSt法用于评估微生物群落的功能潜力。研究特别关注了侧根突变体的不同丰度OTU。分析发现，在次生代谢物中，黄酮和黄酮醇的生物合成是lrt1皮层组织中差异上调最显著的代谢途径（图2E）。
根据KEGG通路评估了侧根突变体和野生型之间差异表达基因的组织特异性代谢潜力。氮和氰基氨基酸代谢途径在两个侧根突变体的主根中均显著富集（图2F）。总之，功能预测分析突出了与氮代谢相关的玉米基因表达的富集以及微生物类黄酮对根空间分区的潜在作用。
4、关键细菌与根系功能基因相互关联
构建基于Spearman秩相关系数的细菌OTU和植物表达基因的关联网络，选择具有高得分及相关基因具有预测功能的节点，从而确定39个hub OTUs，其中，~ 80%与侧根及其根际区室有关，最高得分的节点OTU3535被注释为侧根中的Massilia (Oxalobacteraceae)（图3B）。与Massilia呈正相关关系的功能基因富集于色氨酸生物合成过程，而负相关基因在节律过程和RNA生物合成过程中富集（图3C）。
进一步分析不同区室中Massilia的相对丰度发现，Massilia在lrt1突变体中丰度最高，尤其是在皮层组织中（图3D）。这些结果表明，关键细菌在特定区室内与功能不同的植物基因互作中起着重要作用。
5、侧根关键细菌Massilia可能与植物物候和开花发育相关
为了确定关键细菌是否与植物基因相关进而影响玉米表型，本研究在不同基因型和土壤养分条件之间，进行表达基因以及细菌和表型性状之间的加权相关网络分析（WGCNA），并对鉴定的表型性状相关基因和细菌进行Spearman相关分析。
相较于主根根际，侧根根际的网络复杂性更高，植物基因和细菌之间的显著相关性与植物生物量有关。此外，侧根中植物基因和细菌OTU之间的相关性比主根更显著（图3E），侧根Massilia与植物生物量呈显著正相关关系。进一步分析生物量相关基因功能发现，这些基因富集于昼夜节律，其中包括控制花发育的toc1基因等。这说明侧根中的Massilia可能与昼夜节律和控制植物开花的基因相关联来影响玉米生物量。
6、Massilia功能验证
为了验证Massilia是否与玉米开花时间有关，本研究使用与上述实验相同的土壤，利用不存在侧根和根毛缺陷的玉米野生型B73和rtcs，开展了一项了盆栽验证实验，在两个不同的生长阶段，即苗期（3周）和花期（10周），采集包括侧根在内的主根样品，进行16S rRNA基因测序和转录组测序。
结果表明，相较于苗期，花期的微生物组丰富度显著更高（图4A），，生长阶段可以较好的解释细菌群落组成变化（图4B）。此外，Massilia始终是最苗期和花期丰度最高的细菌属，而其相对丰度在花期显著下降（图4C）。
对高丰度细菌和差异表达基因进行相关分析发现，Massilia与初级和次级代谢过程、防御反应和开花相关途径等功能基因显著相关。这同样表明，Massilia可能与参与玉米开花的植物基因有关。
同时，本研究对玉米野生型和相应的早开花突变体进行了Massilia接种实验。结果发现对早开花突变体进行Massilia单一菌株接种，可显著提高玉米生物量及叶片数量，而对野生型接种无明显影响。由此可见，Massilia促进玉米生物量的功能可能取决于植物开花时间。
玉米基因表达与从土壤、根际到根组织的微生物群落的空间分辨有关。侧根突变比根毛突变对微生物群落的影响更大。侧根特异性微生物Massilia可通过介导玉米开花时间的功能基因表达来提高植物生物量。
原文链接：
https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-024-01839-4
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