研究揭示拟南芥三萜类化合物对根系微生物组的调控规律

　　植物不可移动，但在自然土壤中进化出了强大的适应能力，在根系招募大量且种属特异的大量且种类繁多的微生物（根系微生物组）。这些微生物参与植物吸收营养、抵抗疾病和非生物胁迫等重要生理过程。植物调控根系微生物组的机制对植物生长和健康非常重要，也是根系微生物组领域的研究热点。植物将20 ~ 30%光合作用产物在根系合成化合物，是为了防御病原菌或资源浪费吗？这些化合物是否参与植物与根系微生物的互作过程，是否直接调控特异种类的根系微生物？这些问题一直没有明确的答案。

　　来自中国科学院遗传与发育生物学研究所的白洋研究组与英国科学家合作，揭示了拟南芥三萜类化合物对根系微生物组的调控规律。该工作系统地解析了拟南芥中形成基因簇的三萜合成遗传网络。

　　这一发现公布在Science杂志上，研究结果最初以Report形式投稿到Science杂志，编辑部和四位审稿人都对本工作给予了高度评价，认为非常出色且有重大科学意义。应编辑要求扩展为Research Article，于5月10在线发表于Science杂志(DOI:10.1126/science.aau6389)。

　　白洋研究员和John Innes Centre的Anne Osbourn教授为共同通讯作者，第一作者为黄安诚和姜婷。

　　这项研究系统地解析了拟南芥中形成基因簇的三萜合成遗传网络。该网络的关键基因在植物根系特异表达，并具有潜力合成50多种未知的根系化合物（目前能稳定检测到的根系化合物大约300种）。与不能合成三萜的水稻和小麦相比，52%拟南芥特异的根系微生物组被三萜合成基因显著调控。

　　研究人员通过分离培养的细菌资源库与纯化/合成的单种或混合化合物共培养，发现三萜化合物直接调控特异的根系细菌种类。同时根系细菌可以特异性修饰和利用拟南芥三萜化合物。该研究为利用植物天然化合物促进根系益生菌在绿色农业中的应用提供了理论依据。

　　另外，白洋研究组与储成才研究组合作，通过比较田间生长的68个籼稻和27个粳稻品种，发现籼稻和粳稻形成了显著不同的根系微生物组。籼稻根系富集的微生物组的多样性明显高于粳稻，且根系富集微生物组的特征可以作为区分籼粳稻的生物标志。有意思的是，籼稻根系比粳稻富集更多与氮循环相关的微生物类群，从而具有更加活跃的氮转化环境，这可能是导致籼稻氮肥利用效率高于粳稻的重要原因之一。通过遗传学实验发现，NRT1.1B的缺失和籼粳间的自然变异显著影响水稻根系微生物组，而这些微生物大部分具有与氮循环相关的功能。因此，水稻通过NRT1.1B调控根系具有氮转化能力的微生物，从而改变根际微环境，进而影响籼粳稻田间氮肥利用效率。

　　研究者通过改进后的高通量微生物分离培养和鉴定体系，成功分离培养了水稻根系70%的细菌种类，建立了首个系统的水稻根系细菌资源库。利用水稻根系细菌资源库人工重组了籼稻和粳稻特异富集菌群，发现籼稻富集菌群比粳稻富集菌群能够更好地促进水稻在有机氮条件下的生长，进一步证实了籼稻与粳稻氮肥利用效率的差异与根系微生物组有关。