【LorMe周刊】限铁条件下植物与根际微生物的互作实例
作者：万文，南京农业大学硕士在读，主要研究铁载体介导的植物与根际微生物的互作关系。
铁素对植物和微生物的生长代谢至关重要，但是在土壤中铁的生物可利用性低，因此铁素成为了植物、微生物正常生长的限制因素。先前研究已表明铁的匮乏会直接影响植物根际分泌物、细菌代谢产物的组成。本文以此为基础，通过设置富铁和缺铁处理，探究二穗短柄草与荧光假单胞菌SBW25是如何进行相互作用；再通过无菌和加菌处理，探究铁素影响两者相互作用的哪些具体过程。结果表明添加SBW25后会影响二穗短柄草基因的表达，影响植物代谢、防御等功能。其中细菌的添加上调了植物铁载体的表达量，减少了细菌自身铁载体产量，这与之前研究结果相反，被认为是细菌剥削植物铁载体的有力证据。
本研究利用不同铁浓度的霍格兰营养液通过水培的方式对禾本科植物二穗短柄草进行培养，共分为四个处理：富铁不加菌，富铁加菌，限铁不加菌，限铁加菌，28天后测定二穗短柄草鲜重，结果发现，限铁条件下二穗短柄草生物量显著低于富铁条件下（图1），并在限铁处理下观察到叶片出现缺铁导致的黄化现象（图2），添加假单胞菌SBW25对二穗短柄草生物量无显著影响。此外，利用共聚焦成像技术对标记有绿色荧光的SBW25在植物根部的定殖过程进行观察，发现部分细菌粘附在根尖，大多数细菌在离根较远处定殖，与先前的田间研究观察到的定殖模式类似（图2）。
图1 生长至28天时二穗短柄草的生物量
+Fe：富铁 -Fe：限铁 +Pf：加菌 -Pf：无菌
图2 共聚焦显微镜成像显示荧光假单胞菌SBW25在二穗短柄草根部的定殖模式，及富铁、限铁条件下二穗短柄草长至28天时的生长情况
通过液相色谱分析了植物根际分泌物的组成，共检测出1059种代谢物质，与富铁不加菌处理相比，限铁不加菌处理共检测出27个差异代谢物，富铁加菌处理检测出20个差异代谢物（图3a）。其中变化量最为显著的是麦根酸和脱氧麦根酸，限铁不加菌处理下的植物比富铁不加菌的处理高出6-8倍，富铁加菌处理下的植物比富铁不加菌的处理中高出2-3倍（图3c）。
进一步对根际分泌物进行分析，同时都添加假单胞菌SBW25后，富铁加菌处理和限铁加菌处理分别检测出114和109个差异代谢产物（图3b），其中有31个代谢产物浓度较低，其中包括了植物铁载体麦根酸、脱氧麦根酸，及其他一些代谢物质，如甜菜碱、柠檬酸盐等；25种代谢物质浓度增加，这些增加的物质主要参与了假单胞菌SBW25肽聚糖的构建及循环（图3d），表明细菌能够利用植物的根际分泌物来满足自身生命活动。
图3 a-b：植物代谢组分析 c：不同处理下麦根酸与脱氧麦根酸浓度比较 d：植物主要代谢产物的定量分析
为明确不同的处理对植物铁载体产生有何影响，本文研究了二穗短柄草根系相关基因的表达。图4展示了植物根系铁载体的合成主要步骤，整个过程分为五个部分进行：第一是通过甲硫氨酸腺苷转移酶激活甲硫氨酸；第二通过烟胺合酶结合多种甲硫氨酸分子产生烟胺；第三再将上部产物进行转氨反应，这一过程是麦根酸铁载体合成的第一步；第四通过酶的氧化还原反应将氧代基团转变为羟基基团，从而产生脱氧麦根酸；最后，脱氧麦根酸经过羟基化产生植物铁载体麦根酸。通过转录组分析，本文在每一步都列出了表达量最高基因的拷贝数。
对比不同处理根系基因的转录差异，发现限铁条件下添加细菌SBW25后参与植物铁载体合成和获取的基因表达量增加，预测植物铁载体的产量可能有所增高。结合细菌限铁条件下代谢组结果，假单胞菌SBW25添加到根系后铁载体产量降低甚至低于检测值，细菌几乎不产铁载体。因此，本文推测假单胞菌SBW25铁载体产量的减少可能是利用了植物铁载体，降低自身成本，从生产者转变为欺骗者。
图4 植物铁载体麦根酸的主要合成途径，及添加SBW25后二穗短柄草根系相关基因的表达差异
同样，本文还对植物体内基因的差异表达进行分析，发现富铁加菌中有852个基因表达存在差异，限铁加菌中有526个基因表达存在差异。针对这一差异表达进一步分析，发现许多差异表达基因包括过氧化物酶、几丁质酶、硫素、氰苷等，都参与了植物代谢产物、激素和防御蛋白的合成。此外，差异表达的基因还涉及膜转运蛋白的编码，参与植物养分的吸收与运输。综上而言，细菌在植物根际的定殖改变了植物的多种基因表达，与植物的健康息息相关。
本文发现，在缺铁条件下，向植物根系添加细菌后，植物铁载体表达量增加，相反，细菌铁载体产量大幅降低，因此认为荧光假单胞菌SBW25可以利用宿主植物分泌的植物铁载体。此外，接种细菌也改变了二穗短柄草根系防御和物质转运等相关基因的转录与表达。这些发现为探明缺铁土壤中植物与微生物之间复杂的相互作用提供了新见解。
论文信息
原名：Metabolic Interactions between Brachypodiumand Pseudomonas fluorescens under Controlled Iron-Limited Conditions
译名：限铁条件下二穗短柄草和荧光假单胞菌代谢上的相互作用
期刊：mSystems
IF：6.633
发表时间：2021.01.05
通讯作者：Rene M. Boiteau
通讯作者单位：美国俄勒冈州立大学，美国太平洋西北国家实验室