【LorMe周刊】玉米根系微生物群落的守门人——BXs（苯并恶唑嗪酮类化合物）

作者：曹文慧，南京农业大学硕士在读。主要研究根际资源与微生物互作

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍玉米产生的次生代谢产物——苯并恶唑嗪酮类化合物（BX）对宿主相关微生物组的影响。原文于2019年发表在Microbiome上。

导读

植物次生代谢物因其信号转导和植物防御功能而为人所知，但其对植物微生物组的整体影响却知之甚少。苯并恶唑嗪酮类化合物（BXs）是玉米中的一类次级代谢产物。在本篇文章中作者利用BX基因敲除玉米与野生型玉米，采用16S和ITS2 rRNA基因扩增子分析玉米生长早期阶段微生物群落特征，探究BXs对玉米相关微生物结构的影响。结果发现BXs对玉米根、根际和地上部中微生物群落都产生了影响，BXs对根部真菌多样性的影响大于细菌。BXs对微生物的影响具有特异性，例如，许多植物病原菌与BX含量呈负相关。玉米的基因型和株龄可影响微生物群落结构。作者还通过分析BX与特定微生物类群的相关性，提出BX影响一些玉米根和地上部特定的真菌和细菌类群，并起到守门人作用。

苯并恶唑嗪酮类化合物因突变体及其遗传背景而异

作者利用根箱法培养BX基因敲除玉米（bx1W22_2、bx2W22_1、bx6W22_2）和野生型玉米（W22_1、W22_2）。Bx1和Bx2基因分别编码BX通路上游用于将吲哚-3-甘油磷酸转化为吲哚和吲哚转化为吲哚-2-酮的酶，而Bx6基因编码下游用于将DIBOA-Glc转化为TRIBOA-Glc的酶。在玉米播种前，以3-5厘米深度的土壤为初始土壤。随后在10/20/30/40DAS，取根、根际和地上部的样本。采用液相色谱和质谱仪，对植物根际、土体土、地上部组织进行BX定量分析。

结果表明，玉米突变体与其亲本系的BX含量存在显著差异。一般来说，BX在地上部的含量要比根部高很多(图1)。在bx1W22_2和bx2W22_1两种基因型的根部和地上部中BXs含量均低于bx6W22_2和亲本。此外，作者发现BX在亲本系中含量较高，而在突变系中含量几乎可以忽略不计。

图1 在亲本系和突变体的玉米中检测到的BX含量（地上部：A，B，C，D，E；根部：F，G，H，I，J）

玉米不同部位的微生物群落

16S和ITS扩增子测序结果表明，与玉米根际和土体土的细菌和真菌群落相比，根部细菌和真菌群落是不同的。根系微生物群落中Proteobacteria和Sordariomycetes的比例高于根际和土体土的微生物群落。根部的微生物α样性显著低于根际和土体土。作者还通过比较BX敲除突变体和对照亲本的微生物群落，确定了BXs对玉米相关微生物群的影响。亲本系及其各自突变体在根部和根际细菌门水平和真菌类水平的相对丰度差异较小。除W22_1及其突变体的根真菌群落外，亲本系及其突变体间的多样性在根部和根际均无差异。在根部，突变体bx2W22_1的α多样性显著高于亲本系W22_1。而W22_2与其突变体之间的α多样性没有显著差异。

基于β多样性的分析表明，根部和根际细菌和真菌群落结构的很大一部分变异可以用基因型(亲本系及其突变体)、DAS（播种后天数）及其相互作用来解释。同样，这些因素也显著影响了地上部组织真菌群落的形成。PERMANOVA分析结果显示，W22_1的根真菌和细菌群落的基因型效应均高于W22_2的根真菌和细菌群落。W22_1和W22_2根和根际DAS对真菌群落的影响相当。两种基因型根际细菌群落的基因型和DAS相互作用的影响效果均最大。PCoA分析显示，与早期采样时间（10和20 DAS）相比，在30和40 DAS，根和根际微生物群落的聚类更为明显（图2、3）。对于特定的DAS，基因型影响着真菌和细菌群落的β多样性（图2、3）。基因型效应因DAS和植物取样部位的不同而不同，对于一些DAS样本较少的地方，基因型效应不显著(图2、3)。

图2 玉米根际和根的细菌群落的PCoA分析（根际：A,B根部:C,D）

图3 玉米根际和根的真菌群落的PCoA分析（根际：A,B 根部:C,D）

微生物群落与BX含量的相关性分析

为了确定OTU与BX含量之间的相关性，作者将OTU丰度与样品的BX浓度进行相关性分析（图4a、b）。结果发现大多数OUT与BX呈负相关。在根系中Acidobacteria ，Verrucomicrobia， Planctomycetes和Chloroflexi与一种或几种BX化合物呈负相关。真菌只有少数OTU与BX呈正相关，Pleosporaceae和Pyronemataceae与DIMBOA-Glc和HBOA-Glc呈正相关。在地上部中，真菌如Stemphylium， Vishniacozyma和Didymella与BX呈正相关，而Filobasidium， Blumeria， Ramularia和Puccinia与几种BX呈负相关。

接着作者进行了指示种（indicatorspecies）的分析，以确定根部细菌和真菌群落中亲本系或BX突变体中存在显著差异的OTUs。通过对四个采样时间（10/20/30/40DAS）的整个根部数据进行物种分析，结果发现突变体的细菌和真菌群落中都可以鉴定到大量指示物种，其中bx2W22_1中的指示物种数量最多，包括Actinobacteria、Chloroflexi和Gemmatimonadetes等物种，但在W22_1中几乎没有。相反，在W22_1中观察到Verrucomicrobia和Acidobacteria大量富集。真菌属Gibellulopsis 、Acremonium、Humicola和Sarocladium被鉴定为bx2W22_1中的指示物种，而仅Stemphylium在亲本系中富集。这些结果支持了BX的守门人作用。

图4 细菌和真菌OTU与不同BX代谢产物相关性的网络图。（红色为正相关，蓝色为负相关）

W22_1及其突变体根系群落共生分析

为了明确BX的指示种OTUs是否在整个根系OTU网络中起主要作用，作者对W22_1及其突变体的根系微生物群落进行共生网络分析。在网络可视化的1014个OTU中，相关系数大多为正(10051)，只有少数为负(20)(图5)。鉴定出三个主要的指示OTU簇，其中一个包括真菌OTU和另外两个细菌OTU(图5)。我们发现真菌OTUs与细菌OTUs呈负相关，大多数真菌OTU是bx2W22_1的指示物种。高度连接的中心OTU被认为是网络中相关度最高的OTU中的前5%。48个中心OTU中只有6个细菌OTU也是亲本或突变系的指示种，因此表明BX效应不在核心网络上。

图5 微生物群落的相关性分析（正和负相关分别用灰色和红色显示；细菌和真菌分别用方形和圆形符号显示）

结论

基因型、株龄（DAS）及二者的相互作用影响着玉米的根部、根际及地上部的微生物组成。玉米根际细菌和真菌群落存在强基因型×DAS互作效应。玉米发育过程中BX的合成及其对微生物群落的影响可能为未来研究玉米育种提供了新的方向。

通过指示物种和共生网络分析，作者发现BX的含量与特定的微生物具有相关性，特别是与多种植物致病菌呈负相关。说明了BXs对玉米宿主相关微生物群落有明显的选择性作用（守门人效应）。还发现参与真菌-细菌负相互作用的真菌OTU大多是BX突变体的指示种，这表明BX可能是微生物界间战争的一个重要部分，因此BX可能只是影响微生物组的特定成员。

论文信息

原名：Maize synthesized benzoxazinoids affect the hostassociated microbiome

译名：玉米代谢产物—苯并恶唑嗪酮类化合物对宿主相关菌群的影响

期刊：Microbiome

IF₂₀₁₉：10.4

发表时间：2019.4

通讯作者：Mogens Nicolaisen

通讯作者单位：丹麦奥胡斯大学农业生态系科学与技术学院