编译：大玉儿，编辑：小菌菌、江舜尧。
导读植物通过改变土壤性质，可以调节它们的生长环境。虽然已知土壤微生物群在植物-土壤反馈中起关键作用，但这一现象背后的机制仍不清楚。本研究发现，苯并恶唑嗪酮类化合物（benzoxazinoids，简称BXs）这类由小麦、玉米等谷类植物根系释放的防御性次生代谢物，它改变了与根系相关的真菌和细菌群落，降低了植物生长，增加了茉莉酸信号和植物防御，并在下一代植物中抑制草食动物的行为。补充实验证实BXs分解产生6-甲氧基-2-苯唑啉酮（MBOA），这类物质在土壤调节期积累，它对触发所观察到的表型变化是充分和必要的。灭菌、真菌和细菌分析和补充实验表明，MBOA通过改变根相关菌群间接发挥作用。研究结果揭示了植物根际微生物区系组成、植物性能和植物-草食相互作用的机制。
论文ID
原名：Rootexudatemetabolitesdriveplant-soilfeedbacksongrowthanddefensebyshapingtherhizospheremicrobiota
译名：根系分泌代谢物塑造根际微生物群可驱动植物土壤对生长和防御的反馈
期刊：NatureCommunications
IF：11.
发表时间：
通讯作者：MatthiasErb
通讯作者单位：伯尔尼大学植物科学研究所
实验设计
结果
1BXs决定根相关菌群为了测试BXs是否改变了根相关的微生物群，首先在田间种植了野生型（WT）B73植株和一个BX1玉米突变体的近等基因系。Bx1编码一个产生吲哚作为BX前体的色氨酸合酶α同系物。因此，bx1突变体存在BX缺陷。根表面洗液显示bx1植株比WT植株分泌的BXs少90%（图1a，补充图1a），经过3个月的培养，土壤岩心提取物中BXs含量明显减少（图1b，补充图1b,c）。播种后三个月，在营养生长期末期，对田间培养的WT和bx1植株的土壤、根和根际样品进行了细菌和真菌核糖体标记基因分析。实验没有观察到任何对α多样性的影响（BX渗出对微生物多样性影响的深入分析见补充数据3）。无约束和约束排序均表明，WT和bx1植株的细菌和真菌群落组成存在显著差异（图1c,d，补充图1d,e）。多变量统计证实了这些效应的显著性（补充表1和2）。通过对单个操作分类单元（OTUs）的仔细检查发现，B73和bx1植株之间存在大量的、区域特异性的微生物区系变异（补充图1f-k）。bx1依赖效应约占总菌群变异的5%（补充表1），在不同品种或系间的多位点比较中通常观察到的变异水平。因此，BXs从玉米根渗出的差异与根际和根际微生物群的显著变化有关。图1玉米根释放BXs与根相关菌群的变化有关。BX在野生型（WT）B73和bx1突变型的根表（a，n=14-15）和土柱（b，n=5）的分布。根际和根细菌（c）和真菌（d）群落主坐标的部分正则分析（n=7-10）。2BXs对土壤改良增强了植物的防御能力为了检测根际微生物组成中BX依赖的变化是否与植物性能的变化有关，测量了生长在WT或bx1突变体植物（分别称为“BX+”和“BX?”土壤）的土壤核心中的玉米植株的生长和食草性防御。在BX+土壤中生长的植物比在BX?土壤中生长的植物体积小，叶绿素含量少，累积的地上部生物量少（图2a，补充图2a,b）。此外，生长在BX+土壤中的植株叶子上的夜蛾幼虫的生长也受到了抑制（图2b，补充图2c）。不同土壤类型的叶片损伤程度无显著差异（图2c），这说明树叶没有那么美味，而不是对夜蛾的吸引力并没有那么大。代谢物分析表明，在BX+土壤中生长的植物叶片含糖、可水解氨基酸和总可溶性蛋白水平降低，但防御信号水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和12-氧植二烯酸水平升高（OPDA；图2d，补充图2d,e）。防御标记基因，如JA-反应性丝氨酸蛋白酶抑制剂（ZmSerPIN）和毒性核糖体失活蛋白2（ZmRIP2）也上调（图2d，补充图2f）。防御代谢物的浓度以及防御标记基因如SA标记ZmPR1和蛋白酶抑制剂ZmMPI在不同土壤处理之间没有差异（图2d，补充图2f,g）。总之，这表明BX分泌物对土壤的调节作用与JA反应性防御的表达增加和草食动物生长的抑制相关，并降低初级代谢物积累和下一代植物的生长。图2BXs土壤调节增加植物防御，降低植物生长。（a）长在经BX+或BX?处理的土壤中的野生型（WT）B周龄植株的地上生物量（n=10）。夜蛾幼虫体重增加（b）和叶片损伤（c）（n=10）。叶片植物激素、防御标记基因、初级和次级代谢产物的变化（n=9-10）。3BXs对生长的影响具有基因型特异性为了证实BX通路参与了所观察到的土壤调节对植物性能的影响，本研究控制在温室土壤中添加了3个额外的bx突变体及其各自的野生型系W22，并确定了植物和食草动物在下一代中的表现。与B73背景下的结果一致，在W22条件土壤中生长的W22植物，与bx1、bx2或bx6突变控制的土壤相比，食草动物的生长速度有所下降（图3a）。然而，在W22背景中没有观察到生物量效应（图3b）。生理测量证实了这些差异表型。与增强的食草动物抗性相一致（图3a），并且与B73植株相似，W22背景下的响应植株显示出防御激素和防御标记基因水平升高（图3c，补充图3）。与B73不同而与W22植物缺乏生长效应相一致（图3b），W22响应植物的叶片在可溶性蛋白水平上没有差异，这与之前的调控无关（图3c，补充图3）。因此，叶片防御中BX依赖的增加似乎与生长抑制的遗传分离，并且BX土壤调节的生长效果随着植物遗传背景的不同而不同。图3不同BXs诱变剂对植物和草食动物性能的影响。下一代野生型（WT）B73或W22玉米植株的平均夜蛾幼虫增重（a）和地上部生物量（b）。（c）B73和W22植物处理下叶片标记的褶皱变化。4BXs的效果比冬季休眠期更持久在农业环境中，土壤调节和下一代植物的生长通常被休耕期分开。为了解释这一影响，该研究对土壤进行了处理，让它们在田间越冬，然后评估这些BX+和BX?土壤在下一阶段对植物生长和防御的反馈。BX土壤处理对植物和草食动物性能的影响与休耕期无关（补充图4）。5分解产物MBOA对于土壤反馈是足够的MBOA是BX+土壤中主要的Bx1依赖的代谢物（图1b，补充图1b）。因此，推测这种代谢物可能足以引起植物生长和防御的变化。为了验证这一假设，研究人员测量了单独盆栽WT植株土壤中3个月的MBOA总水平（补充图5a），并且在相同的时间内，以MBOA的匹配量补充种植bx1植物的土壤。MBOA互补恢复了后续植株的生长和食草表型（图4a,b），并将BX响应的叶片代谢标志物恢复到WT水平（图4c，补充图5b-h）。总之，这些结果表明，土壤来源的MBOA来增加防御和降低下一代植物的生长是足够和必要的。图4MBOA的应用恢复了BXs依赖的植物-土壤反馈效应。野生型B73的地上部生物量（a）和夜蛾幼虫生长速率（b）。（c）野生型B73叶片标记的褶皱变化。6土壤微生物群的变化引起反馈效应根系分泌物可能通过pH值、养分、土壤结构和土壤生物群落等一系列因素影响下一代植物的性能。在控制阶段结束时和响应阶段结束后，元素分析和pH测量没有显示出BX+和BX?土壤之间的任何显著差异（补充表4）。此外，在50%的非条件盆栽土中加入高有机质和高营养含量的条件性田间土壤，并不影响下一代植株的反馈效应（补充图6）。因此，评估了土壤微生物群中BX依赖的变化是否与观察到的反馈效应有关。为了验证这个假设，对BX+和BX?土壤通过X射线进行了灭菌，并用BX+和BX?土壤的微生物分泌物补充无菌土壤。通过25μm过滤得到微生物分泌物，导致溶液里包含土壤微生物，但是没有大的土壤生物。土壤灭菌消除了BX+和BX?土壤在植物和草食动物性状和代谢叶标记上的差异（图5，补充图7，补充表5,6）。补充BX+和BX?土壤微生物分泌物，完全恢复了BX依赖对植物生长和防御的作用（图5，补充图7，补充表5,6）。图5土壤微生物群中BXs的变化是引起植物和草食动物性能变化的必要和充分条件。野生型B73植株的植物（a）和食草性（b）。（c）叶片标记的冗余分析（RDA）（n=6-10）。7MBOA、微生物群与反馈效应的关系为了研究土壤微生物与MBOA之间的联系，研究人员给bx1植物补充生理水平的MBOA（补充图5a），然后用X射线对一组对照和经MBOA处理的土壤核进行灭菌。不经后续灭菌的MBOA补充降低了植株和夜蛾的生长，并诱导了与之前实验相似的叶片防御（图6，补充图8a-g）。当MBOA补充的土壤经灭菌处理后，这些效应会消失（图6，补充图8a-g）。X射线对土壤中残留MBOA浓度没有影响（补充图8h），这可以排除来自土壤的MBOA对植物生长和防御的直接影响。总之，这些结果表明，MBOA诱导的土壤微生物群的变化足以解释植物生长和防御的BX依赖效应。图6MBOA对植物和草食动物的影响取决于土壤微生物群。野生型B73的地上部生物量（a）和夜蛾幼虫生长速率（b）。（c）野生型B73叶片标记的褶皱变化。8BXs可形成下一代植物的菌群为了了解BX土壤处理是否改变了响应植物的根相关菌群，研究人员分析了生长在BX+和BX?土壤中野生植物的根和根际样品中的真菌和细菌群落。无限制和受限制的纵坐标显示，细菌和真菌在根际和根之间以及在BX+和BX?土壤之间有明显的分离（图7a,b，补充图9a,b）。多变量统计证实了这些效应的显著性（补充表7和8；参考补充数据3来深入分析BX土壤处理对微生物多样性的影响）。放线菌门OTUs和属于子囊菌纲和球囊菌门的OTUs的亚群对根和根际样品的分离贡献最大（图7c,d）。变形菌门的一个类群在BX+土壤中更丰富，而一些绿弯菌门和其他门的OTUs则是在BX?土壤中更丰富。真菌群落的多样性更大，而且在两种土壤条件下的子囊菌亚群的分类学模式也不太清晰。此外，研究人员注意到，在BX+土壤中，球囊菌门的OTUs数量较少，这表明它们受到了BX调节的负面影响。虽然OTU水平的分析证实了在BX+和BX?土壤的根和根际样品之间，特定的细菌OTUs存在差异，但真菌OTUs则不是这样，因为其群落组成不均匀（补充图9c-h，补充数据4）。因此，与真菌相比，在响应植物的根际，微生物对植物生长和防御的BX依赖作用的调节与细菌的变化关系更大。图7BXs对第二代植物根和根际的土壤微生物区系有一定的影响。野生型（WT）植物根际和根际细菌（a）和真菌（b）群落的主坐标的部分正则分析（n=10）。利用细菌操作分类学单元（bOTU,c）和真菌OTU（fOTU,d）的双标图，显示单个OTU对不同处理的分离的贡献。讨论
众所周知，植物可以改变土壤微生物群，从而决定其后代的性能，但这种现象背后的机制尚未被很好地理解。在这里，研究人员描述了一种机制，通过改变土壤中细菌和真菌群落的组成，玉米植物通过这种机制来决定下一代的生长和防御。这些发现支持以下的机制（图8）：玉米释放一种混合代谢物，包括BXs，如DIMBOA，从根而来，从而影响根相关菌群的组成（图1）。DIMBOA相对寿命短，并能迅速而自发地转化为更稳定的MBOA，它能在土壤中积累（图1）。MBOA（可能还有其他BXs）对土壤进行调理，会在下一代植物中引发与根系相关的微生物群结构的变化（图7）。这些变化增加了叶片的防御能力，抑制了草食动物的生长，降低了植物的生长，后者取决于植物的遗传背景（图2）。还需要进一步的实验来阐明从调节阶段传递到反应阶段BX依赖因素的确切性质。补充实验表明，反馈效应不需要较大的土壤动物。相反，微生物和/或其代谢物很可能被传播，并可能决定下一代微生物群的组装。详细的微生物组分析，包括减少土壤中残留DNA产生的噪音的方法，以及高分辨率的代谢物指纹分析，结合BX+和BX?控制土壤中的微生物分泌物的活性筛选，将有助于检验这些假设。
图8提出BX依赖、微生物介导的植物性能模型。长在BX+土壤中的B73植物对草食动物生长的抑制作用与叶片防御激素SA和JA浓度的增加有关，和更强的JA表达，而不是SA反应的防御标记基因（图2，补充图2）。注意，ZmPR10在玉米中是JA而不是SA响应。依赖JA的防御系统可以提高玉米对食草动物的抗性，包括短翅目（Spodopterafrugiperda）。尽管SA可以在许多植物中抑制JA信号，但它已被证明可以启动玉米中对JA的依赖防御。因此，土壤微生物群中BX依赖的变化可能增加了叶片中SA和JA的信号水平，从而触发了依赖于JA的防御机制，进而增强了对草食动物的抗性。尽管SA水平升高，但SA标记基因未被诱导这一事实说明JA对SA信号的负调控。观察到的表型在一定程度上让人联想到诱导的系统抗性(ISR)，即根细菌个体对根的定植增加了植物叶片的病原菌和食草性抗性。ISR通过促进包括拟南芥、水稻和玉米在内的各种植物中JA信号的传递而发挥作用。根杆菌假单胞菌株KT被玉米BXs15诱导启动系统的、依赖于JA的防御反应，并启动ISR反抗玉米炭疽病真菌Colletotrichumgraminicola。虽然ISR传统上与单根菌与植物相互作用有关，但希望复杂的微生物群落能够适应相同的特性，并能够诱发ISR。本研究提供了一个特定微生物群组成与植物防御能力增强相关的例子。未来的工作需要阐明微生物群落在诱导ISR中的作用和能力。这样的工作将有助于对植物微生物群如何支持宿主免疫系统的更普遍的理解。除了增强防御外，生长在BX+土壤中的B73植物还表现出茎部、叶片氨基酸、总可溶性蛋白和糖的减少。W22背景中不存在负生长效应和总蛋白耗竭。这一结果表明，BX+调节的生长和防御作用可以在W22中解耦，这对农业有潜在的影响。玉米，通常在同一块地连续种植好几年，通过增强防御和草食动物抗性可能从BX土壤调理和微生物调节中受益。然而，根据不同的玉米基因型，BX土壤处理可能会降低生长和产量。虽然玉米通常被认为是相对自我耐受的，但众所周知，轮作有利于玉米。该研究表明，农民可以通过种植不显示负的植物-土壤反馈的基因型来进一步提高玉米的自我耐受性。理解BX依赖的生长抑制的遗传结构，无论是潜在的直接化感效应还是间接的微生物介导的土壤反馈效应，都是一个令人兴奋的前景。植物品种或材料的基因组在多个位点上因不同的等位基因而异，这种高水平的宿主遗传多样性通常解释了根和根际微生物群落约5-6%的组成变异。在27个玉米自交系（自交系的基因组在多个位点存在差异）中也发现了相似的遗传变异水平。令人吃惊的是，通过比较基因几乎相同但BX产物不同的植物，发现了相同水平的微生物群变异（补充表1）。这一观察结果表明，BX通路在构建玉米根和根际微生物群方面起着重要作用。未来的实验可以扩展这些发现，包括不同的土壤类型和不同响应作物的轮作场景，以评估所观察到的微生物组响应和效应是否广泛，对可持续种植系统是否重要。研究BXs是否以及如何与黄酮类化合物等其他玉米生物活性分泌物代谢物相互作用也将是一件有趣的事情，这些物质也可能形成玉米根际微生物群。根系分泌物促进了基质驱动的植物特有根和根际微生物群从周围土壤生物群落的组装过程。虽然根系分泌物的这一整体功能是无可争议的，但对于复杂根系分泌物中特定的化合物如何影响微生物群落结构还没有很好的理解。已知微生物群落会对有效的营养和化学环境产生动态的反应。例如，土壤细菌群落的特定类群以碳基质依赖的方式大量增加了葡萄糖、甘氨酸和柠檬酸等常见根系分泌物化合物的个体添加量。在这里，通过遗传学方法扩展了这一观点，表明除了初级代谢物，次级代谢物如BXs对微生物群落结构和微生物群落特征有重要影响。因此，本研究为理解植物化学驱动的植物-微生物相互作用迈出了一步。植物与土壤之间的相互作用决定了植物在自然和农业系统中的共存、演替和生产力。本研究确立了植物通过根系分泌生物活性分子来改变土壤微生物区系，从而影响下一代植物的生长和食草性防御。这一发现通过建立植物次生代谢产物的关键作用，扩展了目前关于可遗传植物性状在调节植物相关微生物群落中的重要性的观点。此外，这些实验还提供了土壤微生物群落的分泌物依赖的变化与植物性能之间的功能联系。鉴于生物活性代谢物向根际释放是植物的一个共同特征，根系分泌物对植物性能的微生物群落介导效应可能在自然和农业生态系统中广泛存在。来源：微生态
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