研究揭示擬南芥三萜類化合物對根系微生物組的調控規律

　　植物不可移動，但在自然土壤中進化出了強大的適應能力，在根系招募大量且種屬特異的大量且種類繁多的微生物（根系微生物組）。這些微生物參與植物吸收營養、抵抗疾病和非生物脅迫等重要生理過程。植物調控根系微生物組的機制對植物生長和健康非常重要，也是根系微生物組領域的研究熱點。植物將20 ~ 30%光合作用產物在根系合成化合物，是為了防御病原菌或資源浪費嗎？這些化合物是否參與植物與根系微生物的互作過程，是否直接調控特異種類的根系微生物？這些問題一直沒有明確的答案。

　　來自中國科學院遺傳與發育生物學研究所的白洋研究組與英國科學家合作，揭示了擬南芥三萜類化合物對根系微生物組的調控規律。該工作系統地解析了擬南芥中形成基因簇的三萜合成遺傳網絡。

　　這一發現公布在Science雜志上，研究結果最初以Report形式投稿到Science雜志，編輯部和四位審稿人都對本工作給予了高度評價，認為非常出色且有重大科學意義。應編輯要求擴展為Research Article，于5月10在線發表于Science雜志(DOI:10.1126/science.aau6389)。

　　白洋研究員和John Innes Centre的Anne Osbourn教授為共同通訊作者，第一作者為黃安誠和姜婷。

　　這項研究系統地解析了擬南芥中形成基因簇的三萜合成遺傳網絡。該網絡的關鍵基因在植物根系特異表達，并具有潛力合成50多種未知的根系化合物（目前能穩定檢測到的根系化合物大約300種）。與不能合成三萜的水稻和小麥相比，52%擬南芥特異的根系微生物組被三萜合成基因顯著調控。

　　研究人員通過分離培養的細菌資源庫與純化/合成的單種或混合化合物共培養，發現三萜化合物直接調控特異的根系細菌種類。同時根系細菌可以特異性修飾和利用擬南芥三萜化合物。該研究為利用植物天然化合物促進根系益生菌在綠色農業中的應用提供了理論依據。

　　另外，白洋研究組與儲成才研究組合作，通過比較田間生長的68個秈稻和27個粳稻品種，發現秈稻和粳稻形成了顯著不同的根系微生物組。秈稻根系富集的微生物組的多樣性明顯高于粳稻，且根系富集微生物組的特征可以作為區分秈粳稻的生物標志。有意思的是，秈稻根系比粳稻富集更多與氮循環相關的微生物類群，從而具有更加活躍的氮轉化環境，這可能是導致秈稻氮肥利用效率高于粳稻的重要原因之一。通過遺傳學實驗發現，NRT1.1B的缺失和秈粳間的自然變異顯著影響水稻根系微生物組，而這些微生物大部分具有與氮循環相關的功能。因此，水稻通過NRT1.1B調控根系具有氮轉化能力的微生物，從而改變根際微環境，進而影響秈粳稻田間氮肥利用效率。

　　研究者通過改進后的高通量微生物分離培養和鑒定體系，成功分離培養了水稻根系70%的細菌種類，建立了首個系統的水稻根系細菌資源庫。利用水稻根系細菌資源庫人工重組了秈稻和粳稻特異富集菌群，發現秈稻富集菌群比粳稻富集菌群能夠更好地促進水稻在有機氮條件下的生長，進一步證實了秈稻與粳稻氮肥利用效率的差異與根系微生物組有關。