外源菌与土著菌协同代谢促进植物健康
养分相互作用在推动微生物群落的组装和功能方面起着核心作用。在肠道或土壤生态系统中，有效的定殖总是有助于成功接种；然而接种菌和根际土著细菌之间的代谢物交换鲜有研究。近日南农张瑞福研究团队利用生物信息学、遗传学、转录组学和代谢组学分析，揭示了接种剂（Bacillus velezensis SQR9）和黄瓜根际土著细菌施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）养分互作关系，相关研究“Bacillus velezensisstimulates resident rhizospherePseudomonas stutzerifor plant health through metabolic interactions”发表于微生物顶级期刊The Isme Journal.
编者点评：该研究提出了一种利用具有协同效应的微生物菌剂促进植物健康的方法，这是了解根际微生物组中微生物间相互作用的重要一步。
外源菌与土著菌协同代谢促进植物生长模式图
SQR9被根系分泌物吸引并在根际定殖，形成生物膜，分泌代谢产物，增加本地植物有益属（如假单胞菌属）的丰度。通过形成紧密相关的生物膜，它们共享细胞外基质和必要的代谢产物，从而提高它们在根际的适应性。
背景
植物微生物组对植物健康至关重要。植物−微生物组互作通过各种机制促进生长、缓解胁迫和抵御病原侵染，提高植物适应性。直接作用如产生植物激素或1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶、诱导系统抗性以及固氮、溶磷和分泌铁载体增加植物营养。间接作用包括产生抗生素抑制病原体、在根际和根内竞争生态位，促进菌根功能，改变根际微生物群落结构等。然而，微生物群落组成的高度复杂性使得回答围绕自然微生物群落的基本生态学问题具有挑战性。过去十年中出现了以合成菌群（SynCom）为重点的研究，为农业生产提供了可持续解决方案。SynCom是一个微生物群落，通过混合选定的菌株来实现对植物的有益影响。这种方法能够在受控、可重复的条件下对宿主和微生物特性进行详细评估。
SynCom设计通常基于功能和互作的原则，在此过程中−细胞相互作用在稳定性和鲁棒性方面起着关键作用。鉴于根际代谢物的高度复杂性，代谢物交换可能驱动植物微生物群落中的物种相互作用。肠道微生物群研究发现，营养共生可以显著扩大SynComs中每个成员的生态位空间，也有助于维持自然微生物群落的多样性和稳定性，而空间结构，尤其是生物膜，对营养共生的发展及其进化至关重要。然而，与肠道微生物群研究的丰富知识相比，关于根际代谢物营养共生的研究相对较少。利用这种代谢互惠关系可以设计绿色农业的强大益生菌组合。
芽孢杆菌属和假单胞菌属是根际研究最广泛的有益微生物，目前可用于农作物农业生产的几种商业产品属于这两个属。尽管植物生长促进根际细菌（PGPR）的生防能力和促进植物生长的作用已经得到了深入的研究，但它们对本地根际微生物群落组成的影响仍然没有得到充分的探讨。微生物接种剂被证明可以招募有益微生物，如黄杆菌、假单胞菌、农杆菌和溶杆菌等，并抑制土壤−传播病原体。有人提出，除了与寄主植物直接相关外，还可以通过招募有益物种来重塑土壤微生物群落的结构和功能，从而抑制病害和促进生长。PGPR和招募的有益微生物之间未发现的相互作用会影响根际接种剂的功能。与其关注与植物的单一关联，还不如关注接种剂如何调节本地微生物组的结构，以及微生物相互作用如何影响所用接种剂的功能。
植物有益芽孢杆菌，包括B.velezensis SQR9，以促进植物生长、抑制病害和增强盐胁迫耐受性而闻名。根系定殖和植物生长促进特性需要在根系上形成有效的生物膜。用于产生生物膜细胞外基质的基因包括epsA-O操纵子（编码胞外多糖EPS）和tapA sipW tasA操纵子（编码tasA蛋白纤维）。将相应的生物肥料接种到土壤中，增加了具有抗真菌活性的本土微生物群的丰度，如溶杆菌属，这可能在土壤抑制中发挥关键作用，但作用机制尚不清楚。
实验设计
根际采样：黄瓜种子经表面灭菌，在¼Muarshige Skoog（MS）培养基[23]中生长两周，然后转移至2 kg土壤预接种10 ml velezensis B.SQR9悬浮液，没有接种细菌的普通土壤中生长的植物作为对照。16天后，收集根际土壤。每个处理有六个重复。
菌株分离、培养条件和突变体构建：为了分离协同细菌，收集接种了SQR9菌株的新鲜黄瓜根际土壤，将其悬浮在PBS缓冲液中，并进行剧烈旋转。系列稀释培养 27天。选择267个菌落，并使用16S rRNA基因的PCR进行系统发育特征分析。
基因组组装与注释：选择P.stutzeri XL272，用含有DsRed标记的mini-Tn7转座子进行修饰，使用PacBio RS II平台和HiSeq 4000平台（Illumina）对基因组进行测序。
代谢模型重建与种间代谢交换分析：CarveMe用于重建SQR9和XL272的基因组规模代谢模型。使用SMETANA分析双物种联合体的代谢相互作用潜力，确定了所有可能的交换代谢物。
微生物组分析：土壤样品的总DNA，16srrna基因V3-V4区扩增子测序。
其他试验：生物膜形成试验、生物膜生物量定量分析、转录组学分析和qRT-PCR验证、代谢促进试验和代谢组学分析。
结果
B.velezensis SQR9诱导假单胞菌在黄瓜根际富集：施用SQR9后，假单胞菌属、Vogesella属、假黄单胞菌属、黄杆菌属、假杜氏菌属、溶杆菌属、克雷伯菌属和细胞弧菌属增加，其中8个为假单胞菌属，SQR9可能招募有益的假单胞菌并与其进行协同作用。
被招募的假单胞菌与SQR9有协同作用：从接种SQR9的植物根际分离了267个细菌分离株，根据16S rRNA基因序列鉴定了六个假单胞菌菌株，其中有五株在共培养中表现出增强的生物膜表型， XL272尤其明显，共培养生物膜干重增加了三倍以上。
SQR9对根际微生物群落、生物膜表型和预测协同作用的细菌数量的影响
XL272与 SQR9在富培养基中协同形成生物膜，在最低营养培养基中不协同形成生物膜：在生物膜模式下可能通过生态位分配进行合作。
在一定条件下两种菌在生物膜形成上有协同作用
B.velezensis生物膜基质胞外多糖和TasA需要协同作用：生物膜基质成分EPS和TasA是种间正相互作用所必需的。
生物膜基质胞外多糖和TasA协同作用
P.stutzeri XL272可能为B.velezensis SQR9提供BCAAs：在共培养中，SQR9被下调代谢途径包括氨基酸生物合成和代谢、硫代谢、硒化合物代谢、碳水化合物生物合成和代谢、次级代谢产物生物合成和ABC转运体，而在XL272中反过来上调，表明，SQR9中BCAAs产量的减少可能由 XL272补偿。重建了基因组规模的代谢模型，预测了可能的交换代谢产物，表明XL272有可能将两种BCAAs（L-缬氨酸和L-亮氨酸）释放到SQR9。
转录组分析
SQR9通过代谢互作促进 XL272的生长。
协同代谢促进生长
XL272以比 SQR9更高的丰度在拟南芥的根部定殖，在共定殖过程中，XL272抑制了SQR9。
两种菌在植物根际的共定殖
与单个物种相比，双物种联盟在促进植物生长方面表现出色。
两种菌组合队植物生长的促进作用
结论
PGPR可招募本土有益细菌，并可通过交叉喂养与它们协同作用。协同生物膜的形成伴随着促进植物生长和缓解盐胁迫能力的增强。