ISME Journal | 中科院版纳园提出植物根系分泌物-功能微生物组互作研究的新模型

根系分泌物是介导宿主-根际功能微生物互作的重要介质，已经证实植物可以主动调控根系分泌物-功能微生物组之间的互作来维持微环境中的微生物稳态。然而，关于宿主根系分泌物-功能微生物在根际微生态的微生物稳态调控机制仍然知之甚少。

近日，中国科学院西双版纳热带植物园研究人员在The ISME Journal在线发表了题为Probiotic model for studying rhizosphere interactions of root exudates and the functional microbiome的研究论文。该研究提出了一种植物根系分泌物-根际功能微生物互作研究的新模型，研究模型基于前期发现双子叶植物气生根黏液富含碳水化合物介导固氮功能微生物互作和稳态维持的基础上（Pang et al., 2023, Microbiome），寻找具有这一特殊和典型的禾本科植物的根系分泌物-功能微生物互作现象，提出气生根黏液-功能微生物作为植物功能基因-根系分泌物-功能微生物组的根际互作研究的新模型，并就宿主（代谢物）-功能微生物（及保卫微生物）-环境（病原）微生物间的稳态维持机制提出假设，该模型或有助于加深对根系生物学功能与根际微生物稳态维持的见解。

根系分泌物通过调控根际微生物组来改善逆境环境下宿主植物的生长。此外，根系分泌物还可以抵御宿主和外源环境病原体，维持宿主健康和微环境中的微生物稳态（这里稳态指的是宿主植物、功能微生物组和环境微生物之间的健康、稳定的相互作用状态）。微生物稳态对宿主植物的健康和胁迫耐受性至关重要，植物可能已经进化出特定的宿主-微生态互作机制来防止微生物稳态失衡进而影响宿主健康，宿主在特定环境胁迫下可能调控了促进生长与健康的微生物组。然而，关于宿主植物的（根系）分泌物调控微生物组组装、形成特定的功能微生物组和维持微生物稳态的机制仍有待探索。

1. 气生根黏液是一种典型的根系分泌物

气生根黏液富含大量的碳水化合物和其他代谢物，为微生物活动和其他生物学过程提供充足的碳源、营养物质、湿润环境和保护性的屏障。此前研究发现气生根-黏液系统可以生物固氮从而促进多种植物的生长。因此，这一富含碳水化合物的气生根黏液特殊生态位组成与功能不同于地下根际，可能与新的生物学功能有关。在这项工作中，研究者讨论了特殊气生根黏液的新的生物学功能和维持机制，并为根系分泌物及其功能微生物组之间的互作提供了新的见解。

图1 不同植物气生根黏液现象和地下根系分泌物的代谢物含量差异

2. 气生根黏液定殖着类似的功能微生物组和稳态维持现象

微生物组测序和培养的研究表明不同栖息地植物黏液微生物组的群落结构是类似的，比如都富集了潜在的固氮菌，如高丰度的克雷伯氏菌Klebsiella、草螺菌Herbaspirillum、微杆菌Microbacterium和固氮螺菌Azospirillum，以及Raoultella、Klebsiella、Azospirillum等细菌。这些固氮菌被广泛用作研究植物联合固氮菌的模式菌株，并在农业生产中得到了很好的应用。此外，利用微生物组功能注释、固氮能力检测和分子生物学等证据，综合全球范围内其他禾本科植物的研究发现类似的黏液固氮菌和气生根-黏液系统均可以帮助宿主固氮并促进宿主生长。然而，宿主如何选择这些功能固氮菌并维持其在根际黏液微环境中的功能与稳态的机制仍不清晰，或需特殊的实验模型来加深对植物代谢物如何介导宿主-功能微生物组互作过程和稳态机制的理解。

以往研究证明宿主因子和微生物共同维持微环境内微生物组稳态并介导宿主健康。然而，在宿主植物和微生物组维持微生物组稳态的调控因子及相关机制还知之甚少。同样，黏液微环境系统中因富含大量碳水化合物/碳源而如何避免环境微生物/病原菌“大爆发”？维持微生物功能与稳态也值得探索。研究者此前关于双子叶植物的相关报道同样证明了黏液微环境中微生物组的动态平衡，且这一过程是由黏液内部微生物重要成员：保卫真菌（Gatekeepers fungus）所调控的，该菌可以产生抗菌物质特异性地抵御病原菌和环境微生物，却不抵御同域的固氮菌，该保卫微生物在宿主全植株“伴生”且在黏液微生境中与宿主建立有益的伙伴关系。以上发现加深了微生物组稳态、功能/保卫微生物成员提升宿主植物适应性的理解。因此，有必要深入解析特殊生态位中功能微生物组和其稳态的调控机制，尤其是在根际微环境和特殊的气生根黏液分泌物微生境中。

3. 根系分泌物-根际功能微生物组互作研究的新模型

根系特异性代谢物和微生物的互作被认为是宿主调控根际微生物组装的关键因子。理解根系分泌物塑造和调控植物微生物组的潜在机制对于促进植物生长和健康至关重要。基于在多点多物种均报道了这一典型且稳定的气生根黏液-功能微生物组的生物互作进展，研究者进一步提出将气生根黏液-益生菌系统作为一种研究根系分泌物-功能微生物互作的新模型。

该研究模型中研究者的科学假设和研究方法主要包含以下四个途径：

（1）确定黏液代谢物和微生物组的共性从而建立根系分泌物和功能微生物组之间的联系：分析不同气生根黏液植物的共有代谢物与核心微生物组。黏液微生境和地下根际根系分泌物和微生物组的差异也能为挖掘功能化合物成分提供线索（图3a）。

（2）验证根系分泌物和功能微生物组之间的互作关系，例如，关联代谢物和微生物组组分，一方面根系分泌物可以调控功能，而功能微生物也可以参与黏液化合物的代谢过程。

（3）确定黏液微生境中的功能组成，包括调控功能微生物组和微生物群稳态的关键代谢物和微生物（图3b），寻找潜在的保卫微生物（该文首次提出Gatekeepers Microbes）。

（4）植物-功能微生物组的微进化分析，从生态进化的视角解析多种植物中气生根黏液的形成和微生物互作过程（图4）。

最后，研究者提出可采用多组学方法（基因组、转录组、代谢组和微生物组）与分子生物学实验等分析、验证宿主黏液代谢物和微生物组的互作，并探究根际生态位中微生物稳态的调控机制。这个模型为特殊黏液分泌物与根际微生境中微生物功能和稳态维持机制提供了新的见解，有助于明细宿主对其微生物群落的功能的宿主调控因子与微生物稳态互作机制。

4. 关联根际生态位中的根系分泌物特殊组分与功能微生物组

确定根系分泌物中关键组分与调控功能微生物组的潜在机制对植物的健康和生长至关重要。本模型为确定根系分泌物调控功能微生物和抵御病原菌及环境微生物的关键化合物提供了新的见解。这些特殊的分泌物成分被定义为功能代谢物。在这个根系分泌物-功能微生物组互作模型中，一些功能代谢物被定义为“引诱剂”：是可以富集功能微生物组的根系分泌的化合物或营养物质。特异性的代谢物可以选择性地增加特定功能微生物组的丰度。根系黏液是富含碳水化合物的特殊代谢物，可为功能微生物组生长创造“天然培养基”和理想的生态位，但其对于病原菌和其他环境微生物同样具有“吸引力”。待解决的有趣和重要科学问题是：在这个特殊生态位-黏液微生境中如何保持微生物群的稳态使其利于功能微生物的定殖而抵御病原菌的入侵以最大化宿主植物的受益？因此，本模型提供了新的线索以鉴定“引诱化合物”（如益生菌和植物功能性微生物组互作的信号和营养物质）和“防御化合物”（如对病原体或环境微生物的抗生素活性物质）。此外，该模型植物代谢物调控黏液微生物群落和微生物互作提供见解，例如跨界互作和交叉喂养（图3c）。

5. 解析微环境中微生物互作调控群落稳态

微生物群落成员间互作以维持微环境稳态是另一种潜在可能，功能微生物（如保卫微生物）可以抑制微环境内“不受欢迎”的病原微生物和环境微生物，但选择性地允许同域功能微生物生存。然而，较少研究关注根际微生物互作驱动微生物群落稳态的相关的过程和机制。此外，重要的话题是微生物的“稳态维持”和“生态失调”，尽管“微生物稳态”和宿主健康状况之间的因果关系仍然知之甚少。但在气生根黏液系统中，仅考虑黏液微环境如何维持微生物稳态可以相对简化试验，因为此时微生物组对宿主健康的影响可以适当忽略，毕竟根系黏液可以作为一个短期的物理屏障。

本研究这一典型根系分泌物模型可以为同域微生物互作驱动功能微生物-病原菌动态平衡提供微生态视角。根系黏液微生境中碳水化合物的组成为深入探讨这一课题提供了理想的研究模型和具有“天然培养基”的物质基础。明确抵御病原菌及与同域固氮菌互作的保卫微生物（Gatekeepers microbes）对于理解根际微环境中微生物的稳态维持非常重要。了解黏液生态位中微生物的互作机制，并明晰这些微生物组是否介导了协同互作进而增强黏液利用或群落功能（如功能合作）、或者是否为拮抗互作（竞争，例如防御病原体）和其他跨界互作的过程和潜在机制是非常必要的。使用安娜卡列尼娜原则（AKP）中提出的微生物群落的β多样性等指标以确定黏液微生物组中微生物的功能状态、生态失衡和维持微生物稳态的核心组分。因此，可以从黏液中分离出益生菌、保卫微生物（Gatekeepers microbes）和环境微生物用于建立合成群落，以充分研究根际微环境中的微生物组稳态和同域生物互作。此外，还需进一步研究宿主-特定化合物（根系分泌物）和功能微生物组的协同效应，从而阐明宿主代谢物和微生物互作维持根际微环境稳态的潜在贡献量，这些关系可能在植物-微生物组互作中非常普遍，而这些有趣的发现可能具有基础的生物学意义。

6. 植物气生根-黏液-微生物组的共进化及宿主对微生物组的级联调控

目前，关于植物遗传调控和性状进化对宿主-微生物组协同进化的动态影响知之甚少，且植物气生根黏液（或根系分泌物）和有益微生物的基因调控因子和机制在很大程度上是未知的。鉴定与植物-微生物互作相关的宿主遗传因素是植物-微生物互作研究是正在进行的主题，并且多个研究已经使用不同植物和全基因组关联分析来鉴定了潜在的关键宿主调节因子。鉴于此，研究者进一步提出将单子叶植物（禾本科植物Poaceae crops）和双子叶植物（野牡丹科Melastomataceae）的典型气生根黏液微生物组这一性状的发生和进化作为潜在进化生物学研究的模型。研究者提议将气生根-黏液-微生物组作为一种特殊的宿主发育性状，并将宿主基因组、基因表达、代谢物合成和运输以及其他多性状联合分析，以确定宿主基因型-功能基因-根分泌物（黏液）调控植物微生物组的潜在级联效应。使用微生物组改善宿主生长和健康是一项挑战，因此本模型中还包括对微生物组调控Microbiome基因（M基因）的筛选鉴定，以及明确宿主基因型-功能基因-根系分泌物（黏液）-植物微生物组的级联调控效应。目前大量的禾本科基因组、代谢组和遗传转化体系将为M基因及宿主-微生物组互作的机制提供见解。这个模型将帮助我们理解植物气生根-黏液性状的发生和进化，并将其与宿主对微生物组的调控线索联系起来（例如M基因）。这一模型今后可扩展到更广泛种植的禾本科作物，从而增加其普遍性和应用潜力。

图5 植物黏液-微生物组互作研究模型及潜在调控机制示意图

本项研究是该团队在前期2023年研究成果（微生物介导的植物气生根黏液固氮功能及稳态维持机制）基础上进一步提出的实验模型，该研究有助于加深对典型的根系分泌物调控宿主植物-功能微生物组互作过程及机制的认知，对于明确宿主功能基因（转运蛋白）-根系分泌物-功能微生物组的级联调控效应与机制有一定的借鉴意义，有助于深入解析根际生命共同体功能与微生境稳态维持的机制。

中国科学院西双版纳热带植物园庞志强博士为本文的第一作者和通讯作者，徐鹏研究员为共同通讯作者。

论文链接：

https://academic.oup.com/ismej/advance-article/doi/10.1093/ismejo/wrae223/7875054