【LorMe周刊】根系分泌物香豆素调控微生物群落结构并促进植物健康

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。

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！本期周刊为您介绍缺铁条件下产生的根际分泌物香豆素东莨菪亭可以诱导植物免疫，保障植物健康，原文于2018年发表在《PNAS》。

导读

植物根系能够向根际分泌多种多样的化学物质，影响着根际生物群落的组成，相反，根系微生物中的有益菌也可以影响植物的生长、诱导植物免疫。已有研究表明，植物根系中特异性转录因子MYB72是根系分泌物产生与排出过程中的重要调节因子。本文研究表明MYB72及BGLU42分别调节香豆素东莨菪亭的合成与分泌，其中香豆素东莨菪亭是具有选择性抑菌活性和促进植物铁吸收的酚类化合物。根际有益菌对东莨菪亭具有耐受性，而病原菌会受到东莨菪亭的抑制作用。因此，缺铁条件下，香豆素东莨菪亭的分泌不仅能为有益菌提供优势生态位，还可以促进铁素吸收、诱导植物免疫，保障植物健康，促进植物生长。

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MYB72功能的缺失影响缺铁条件下荧光酚类物质的合成

在缺铁条件下，野生型拟南芥（Col-0）根系能够分泌大量荧光酚类化合物，并激活缺铁标记基因FRO2、IRT1、MYB72和F6'H1（图1 A和B）的表达。而MYB72突变拟南芥的根系分泌物中没有检测出此类荧光物质，而在BGLU42突变拟南芥中荧光酚类物质分泌受阻（图1 A），因此本文认为缺铁条件下，MYB72是合成荧光酚类物质必需的，而BGLU42在拟南芥分泌荧光酚类物质至根际这个过程中发挥着重要作用。

图1 在铁充足和铁缺乏条件下生长的野生型拟南芥Col-0根系分泌物的代谢特征

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缺铁和MYB72、BGLU42功能的缺失影响根系代谢组

在确定MYB72和BGLU42是影响缺铁状态下拟南芥根系分泌物的重要调节因子后，本文顺着这一线索进一步探究MYB72和BGLU42这两个因子是否影响根际代谢组。结果发现，在铁充足的条件下不同基因型的拟南芥根系分泌物相似，而在缺铁条件下不同基因型的拟南芥根系分泌物差异很大（图2 A和B），其中缺铁条件下MYB72突变拟南芥的根系分泌物与其他两种明显不同，表明MYB72突变拟南芥根系分泌物具有不同的代谢特征。

图2 在铁充足和铁缺乏条件下生长的野生型拟南芥Col-0、MYB72和BGLU42突变拟南芥的根系代谢组

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缺铁条件下，MYB72和BGLU42共同参与了香豆素东莨菪亭的合成和分泌

为了确定缺铁条件下拟南芥根系分泌物中依赖于MYB72和BGLU42代谢物的具体成分，本文通过代谢组数据分析（图3 A），对比野生型、MYB72和BGLU42突变拟南芥根系分泌物的含量，进一步通过精确的质量比较，确定其中具体成分为香豆素，其中以东莨菪亭含量最多。

前期研究发现，缺铁条件下MYB72突变拟南芥的根部无法产生荧光酚类化合物，即东莨菪亭，而BGLU42根部仍有积累（图3 C）。因此，作者认为BGLU42可能会影响东莨菪亭的分泌，缺铁条件下BGLU42突变拟南芥根系应积累东莨菪亭糖基化形式-东莨菪苷。实验结果证明，缺铁条件下BGLU42突变拟南芥的根系中东莨菪苷含量高于野生型拟南芥。而缺铁野生型拟南芥的根系分泌物中，东莨菪亭比东莨菪苷的浓度高，而在植物的根系内部，东莨菪亭比东莨菪苷的浓度低（图3 B和D）。结果表明，缺铁条件下，拟南芥以依赖MYB72的方式合成东莨菪亭和东莨菪苷，而BGLU42对东莨菪苷的脱糖基化和随后的东莨菪亭分泌到根际至关重要（图3 E）。

图3 依赖于MYB72和BGLU42的根系代谢物

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香豆素东莨菪亭能够影响根系微生物群落的组成

香豆素及其衍生物具有杀菌活性，那么香豆素在植物根际中是否会发挥类似作用，影响根系微生物群落？为此本文对比了铁充足和铁匮乏条件下，野生型拟南芥、MYB72突变拟南芥和F6'h1突变拟南芥（不能生成东莨菪亭）东莨菪亭的合成分泌情况，结果发现缺铁条件下野生型拟南芥分泌大量荧光东莨菪亭，而MYB72突变拟南芥和F6'h1突变拟南芥则没有（图4 A）。随后，将这三个基因型的拟南芥移入石灰性土壤中，野生型拟南芥移栽后缺铁标记基因表达（图4 B），三天后，分析不同基因型拟南芥根系微生物群落的组成。β-多样性分析显示未种植拟南芥的土壤中微生物多样性与种植不同基因型拟南芥土壤中微生物多样性显著不同（图4 C），其中F6'h1突变拟南芥根系微生物群落的差异最大。α-多样性分析表明未种植拟南芥的土壤中的微生物群落比种植拟南芥的微生物群落更多样、复杂，并且F6'h1突变拟南芥微生物群落的香农多样性显著低于其他基因型，这表明东莨菪亭可显著影响根系微生物群落的组成（图4 D）。

图4 野生型拟南芥、MYB72突变拟南芥和F6'h1突变拟南芥根际微生物群落的宏基因组分析

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香豆素东莨菪亭对病原菌、有益菌的生长具有选择性抑制作用

MYB72和BGLU42对有益菌介导的植物免疫抗性的发生和香豆素的分泌都非常重要。假单胞菌WCS417定殖拟南芥根系48 h后，野生型拟南芥可分泌香豆素东莨菪亭，并依赖于F6'H1（图5 A）。与未种植拟南芥的土壤相比，在1天内，野生型拟南芥根际中WCS417细菌数量增加了10倍，且数量保持稳定（图5 B）。而在铁缺乏和铁充足条件下的野生型拟南芥根际之间没有观察到数量上差异，这表明WCS417对缺铁状态下根系分泌物的抗菌作用不敏感。

为验证是否只有WCS417对香豆素东莨菪亭不敏感，继续检测了香豆素东莨菪亭对两种土传病原体和两种有益菌生长定殖的影响。结果发现，两种有益菌对香豆素东莨菪亭也不敏感，而香豆素东莨菪亭对病原菌有显著的抑制作用，并且随着香豆素东莨菪亭浓度的增加，对病原菌抑制作用增强（图5 C-F）。

图5 东莨菪亭对根际微生物假单胞菌WCS417生长定殖的影响，及其对其他有益菌、病原菌生长的影响

总结

缺铁条件下，植物根部特异性转录因子MYB72可调节荧光酚类化合物的生物合成，而具有抗菌活性的香豆素东莨菪亭是其中主要的代谢产物。此外BGLU42对荧光酚类化合物分泌至关重要。东莨菪亭通过选择性地抑制土传真菌病原体，如，尖孢镰刀菌及黄萎病菌，而对部分根际促生菌没有显著影响，从而改变植物根系的菌群群落组成，维护植株的健康。

论文信息

原名：MYB72-dependentcoumarin exudation shapes root microbiome assembly to promote plant health

译名：根系分泌物香豆素调控微生物群落结构并促进植物健康

期刊：ProcNatl Acad Sci U S A（PNAS）

IF₂₀₁₉：9.580

发表时间：2018.04

通讯作者：CornéM. J. Pieterse

通讯作者单位：荷兰乌得勒支大学生物学系