【LorMe周刊】根系菌群利用ABA信号以维持根系扩散屏障的稳态
作者：田秘密，南京农业大学博士在读，主要研究植物激素代谢调控根际免疫。
根系在植物生长的过程中扮演着双重角色，一方面作为植物养分的汲取者与输送者，选择性的从根际环境中吸收于植物生长所需的矿质营养与水分并将其运输至维管系统，主持各组织器官间的长距离运输；另一方面根系作为根际免疫的门控者、植物代谢的主导者，通过根系分泌物塑造了对植物生长有益的根际微生物群落，使其抵御生物与非生物胁迫。植物根内皮层的木栓质是决定质膜运输调控根部扩散屏障的重要枢纽。前期研究表明，营养胁迫、植物激素ABA（脱落酸）和ET（乙烯）水平会影响内皮层木栓质的沉积，但这些根部扩散屏障与定植于植物根部的微生物区系间的互作机制尚不清楚，这种调控作用可能会影响植物逆境胁迫下的农艺产量和营养供给。本文证明了在拟南芥中控制内皮层养分扩散屏障功能的基因有助于植物细菌群落的组装，探究了一种由根系菌群介导ABA信号、驱动内皮层分化，从而维持养分稳态的调控机制。
研究利用16S rRNA扩增子测序技术分析了拟南芥野生型（Col-0）和5组突变体（根系扩散屏障）及转基因株系（缺失和过表达根系屏障相关基因）在自然土壤条件下的细菌群落组成。结果表明，与Col-0相比，一些拟南芥根系扩散屏障的根系与叶片均产生差异微生物群落（图1A和图E1和F1）。具有显着不同细菌群落的基因型代表了所分析的大多数根扩散屏障植物组，表明广泛分布于根系扩散屏障调控网络的某些基因有助于植物微生物群的组成。为了进一步了解根系扩散障碍与微生物群落之间的相互作用，作者从拟南芥的根和叶片中分离出41个细菌构建一个接近自然拟南芥群落的合成菌群（SynCom）。首先，转接拟南芥幼苗（WT和前期筛选的7个具有不同功能的根系扩散障碍基因型）于已培养有SynCom的琼脂平板上，以培养组学的方法，分别设置了无菌琼脂平板（NM）、灭菌SynCom（Heat-killed）和SynCom处理。结果与前期自然土壤相似，出现了相同的可产生差异微生物群落的根系扩散屏障基因型（图1B）。
另外，从自然土壤和琼脂体系上的拟南芥叶片的离子组检测结果发现，引起微生物差异变化的根系扩散屏障基因型同样介导了拟南芥地上部离子组的差异变化（图1C和D）。在自然土壤和琼脂系统中，仅根部细菌群落差异与地上部离子组差异(图1，E和F)之间存在显著的相关性(Mantel检验p<0.05)。该结果表明，拟南芥内皮层根系扩散屏障组分调控了植物微生物组构型。这种效应说明，维持矿质营养稳态的机制也有助于微生物组分的组成。
图1 可改良根系扩散障碍的拟南芥富集特异的菌群
为了探索根系扩散屏障和植物微生物组之间的相互作用，作者分析了微生物群影响根扩散屏障在内皮层沉积的能力。作者从自然土壤中生长的拟南芥根和地上部分离出416个细菌，以碘化丙啶荧光法（指示凯氏带沉积程度）测定了其对凯氏带形成的影响。结果发现，25%和1.9%的菌株分别在碘化丙啶的扩散中诱导了早期和晚期的阻滞（图2A）。另外，一些细菌（图2B，41个）对内皮层木栓质合成与凯氏带沉积的响应不仅仅取决于根自身的生长修饰作用，而与根系微生物组成员改变凯氏带形成的能力极其相关（图2A）。为了测试这种效应是否也发生在内皮层木栓质的沉积中，作者进一步分析了拟南芥根系中木栓化报告基因pGPAT5：：mCITRINE-SYP122对416个单菌的表达响应情况。结果发现，71%的细菌显著扩大了根区，而GPAT5持续激活的根区减少（图2A）。此外，植物微生物组成员可以独立于凯氏带的形成来改变木栓质的沉积。
接着，在植物联合分析中以细菌代表性子集（n=41）来检测它们对木栓化作用的影响是否调节植物矿质营养稳态（图2B）。从荧光黄染色并量化为从根尖到连续栓化区的距离和鉴定抑制栓化的pCASP1:：CDEF1可知，植物微生物组成员可能通过激素控制（如ABA或ET）或免疫系统激活来干扰控制内皮层木栓化。另外，单菌诱导的木栓质积累与地上部大量营养物质的积累高度相关（图2E），这说明植物微生物介导木栓质沉积机制也影响植物矿质养分的动态平衡。而且，作者还发现根部细菌的定殖能力与木栓质沉积之间存在正相关关系，这更说明了细菌定殖可能对细菌影响木栓质沉积具有正向预测作用（图S6）。
图2 筛选出的细菌可改变根系内皮层功能
图S6 细菌的定殖对其影响根系木栓质的沉积具有正向调控作用
为了研究更为复杂的植物微生物组在调节木栓质沉积中的作用，作者利用41株单菌组成SynCom。在已知可引起木栓质沉积扰动的营养胁迫下，对Col-0无菌接种SynCom。结果发现，接种SynCom、营养胁迫的拟南芥显示出木栓质沉积的可塑性显著降低，连续区栓化距离更长，在-K和+NaCl情况下尤其明显（图3A、B）。另外，以直接化学定量法发现，SynCom降低了根中的木栓质含量。同时，接种SynCom后的拟南芥能更好地应对营养胁迫，且具有更大的莲座叶面积和干物质重（图3A、C）。进一步地分析营养胁迫下植物叶片的元素特征发现，接种SynCom较无菌处理的地上部表现出不同的离子组特性（图3D）。另外，即使在养分充足情况下，SynCom依然引起植物离子组的显著重构（图3D）。这些结果表明，SynCom与地上部离子组间的作用和木栓化有关，其介导的栓化沉积优化了植物离子组的数量与丰度，从而促进了植物对营养胁迫的适应。
图3 SynCom控制根系内皮层的栓化以增强拟南芥对养分胁迫的适应性
为了解微生物组如何调节木栓质沉积，分析了在SynCom条件下生长的拟南芥转录组。作者在Col-0和突变体myb36-2的根中对比了差异表达基因的集合，该突变体由于Schengen途径的组成性激活而表现出增强的栓化积累。结果发现，差异表达的基因对合成菌群、Schengen途径或两者都有响应。C1和C2簇富含参与防御、离子转运和养分响应相关的基因。SynCom抑制了与栓化有关的苯丙氨代谢、脂肪酸延伸有关的基因以及ABA报告基因6xABRE_A :: erGFP和6xABRE_R :: erGFP的根部荧光，这说明微生物组通过抑制拟南芥内皮层中ABA信号来控制内皮层栓化。进一步地分析ABA突变体的叶片离子组发现，微生物菌群还控制着其他非栓化离子组机制。在sgn3-3 myb36-2双突变体中，SynCom处理出现较少的栓化和较大的莲座叶。这些结果表明，根微生物群对栓化的影响是内皮层木质化的一个信号分支，它影响ABA信号并独立于Schengen途径（图4D）。
该研究表明，调控根系扩散屏障的基因影响植物微生物群的组成，而定殖于根系的微生物反过来影响根系扩散屏障的功能。在无菌条件下，根微生物组通过抑制植物的ABA转录反应，减少了对植物适应营养胁迫很重要的内皮细胞的栓化。本文揭示了根系扩散屏障和微生物群之间的协调导致植物离子组的平衡，使植物能够成功地减少环境干扰，如低铁或高盐度。这些结果加深了人们对多细胞生物中扩散屏障如何整合微生物功能以维持矿质营养稳态的理解，为人们对以微生物为基础调控作物生长的方向提供了思考方向。
【编者按】本文提出了一个很有意义的现象，根内皮层栓化（木质素/木栓质沉积）现象与根部定植的微生物菌群有关，在自然条件下，微生物菌群调控根部离子组变化和ABA转运信号通路关键基因来阻遏根内皮层木栓化。对于本试验的模式植物拟南芥来说，两种现象均是抑制拟南芥根系生长的。因此，本文以探索根系扩散屏障功能的调控网络与根系复杂微生物区系之间的相互作用为主要目的，通过两种互补方法展开（从思路上来说）：
（1）分析了19个根扩散屏障突变体和过表达系的非冗余和多样性集合，以初步揭示根扩散屏障调控网络对植物微生物群落组装的影响；
（2）从自然土壤中生长拟南芥的地上部和根部分离出一系列的单菌株系，以确定它们能够改变内皮层中的凯氏带和木栓质沉积的功能，以确定微生物组成员对根系矿质养分稳态上的具体作用；
（3）结合离子组和转录组学构建细菌SynCom，以发现根系扩散屏障和植物微生物群之间协调的分子机制。
论文信息
原名：Coordination between microbiota and root endodermis supports plant mineral nutrient homeostasis
译名：微生物群和根内皮层之间的协调支持植物矿质养分的动态平衡
期刊：Science
发表时间：2021.01
通讯作者：Gabriel Castrillo
通讯作者单位：英国诺丁汉大学