科研 | 田间种植杨树的木质素合成对内生细菌微生物影响
一、导读
肉桂酰辅酶A还原酶（CCR）是木质素生物合成途径一种重要的酶，其相关研究对于降低木质素水平和改善木质纤维素提供了很好的商业可行性。然而，CCR基因的沉默会导致木质素合成途径出现巨大的变化，最终导致各种酚类化合物在木质部积累。在这里，我们评估了田间种植的宿主基因型的依赖效应，分别探究了杨树根、茎、叶中的根际细菌群落和内生微生物。通过使用选择性分离和富集技术从植物的各部分分离出与植物相关的细菌，CCR基因下调对植物内生微生物组成产生显着影响，而对根际微生物群无明显影响。而根际部位两种杨树的代谢能力与菌群结构表现出很多的相似性，则表明植物基因中微小遗传变异会改变植物微生物的宿主基因型。
二、论文ID
原名：Lignin engineering in field-grown poplar trees affects the endosphere bacterial microbiome
译名：田间种植杨树的木质素合成对内生细菌微生物影响
期刊：PNAS
IF：9.66
发表时间：2016年
通信作者：Bram Beckers
通信作者单位：Centre for Environmental Sciences, Hasselt University
三、实验设计
四、实验结果
第一条证据链
为了比较细菌细胞的总数，从野生型和缺少CCR杨树的根际土壤和植物各部位中分离细菌，在营养培养基上采用非选择性的方法培养。结果显示，在叶中比在茎中的细菌计数略微多一些，可能是通过气孔的内生菌定殖导致的。非选择性方法中，缺少CCR的杨树中的细菌计数高于野生型。在其内生部位，降解特定酚类碳源的能力明显增强，阿魏酸作为唯一碳源时表现出最显着差异。
图1 用细菌细胞计数来表示每克土壤或每克新鲜植物组织中菌落形成单位。A 两种基因型的细菌细胞从不同部位非选择性分离。B ～D用阿魏酸选择性分离细菌细胞。B芥子酸；C对香豆酸；D酸作为唯一的碳源。
第二条证据链
根际土壤的选择性分离中，从缺少CCR的杨树中获得的细菌细胞数量与野生型相似，但在缺少CCR的样本根，茎和叶内的细菌丰度一直较高。我们观察到来自缺少CCR样本的细菌细胞计数比野生型的细菌细胞计数明显更多。这种差异可归因于基因沉默导致不同基因型之间的差异，因此可能会影响到植物与相关细菌群落。在根际土壤中，细菌群落根据NMDS分析所显示的基因型显示没有相关的聚类，而植物各部位的差异表现高度一致性。由于CCR基因沉默，宿主基因型施加的选择性压力可利用的碳和能源的变化使得内生细菌更适合去除复杂的酚类化合物。
图2 在每个取样部位阿魏酸作为唯一的碳源选择性富集的细菌细胞和基因型。
第三条证据链
为了量化每个分离的细菌的阿魏酸降解能力，并由此评估CCR基因沉默对各个细菌代谢的影响，我们用Biolog MT2平板对所有鉴定的细菌菌株进行呼吸计量评估。在根际土壤中，野生型和缺少CCR杨树的细菌对阿魏酸降解能力高度相似。相比之下，内生菌群的细菌代谢在两种基因型之间具有显着差异。除茎外，缺少CCR的杨树代谢均匀度显着低于野生型，表明CCR中较高的呼吸响应是限于特定的菌株。
图3 呼吸新陈代谢分析
五、研究结论
宿主的基因型效应已经在植物中被发现，宿主基因型对CCR缺陷型杨树内生细菌部位的代谢能力和细菌种类有着显着的影响，对根际细菌群落没有显著影响。我们的数据显示CCR下调带来的影响超过参考书中描述的扰乱木质素生物合成的影响。由于CCR基因表达差异产生积累的化合物被内生菌群进一步代谢，产生的新的代谢产物可能会干扰预期的表型。
六、点评
已知人体消化道中细菌菌群结构与宿主的基因型紧密相连，并会影响我们的生活和克服疾病的能力。植物基因型的变化会影响相关细菌群落结构，然而对于野外种植的植物其健康和生产力仍然是未知的。该试验揭示宿主基因型与植物和微生物间的关联，对于理解植物代谢途径以及可能利用真核生物与原核生物协同作用在植物修复应用，作物的可持续生产和次生代谢产物的产生是至关重要的。
本文由微生太殷继忠编译，殷继忠、江舜尧编辑。