編譯：大玉兒,，編輯：小菌菌、江舜堯,。

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1 BXs決定根相關(guān)菌群

為了測(cè)試BXs是否改變了根相關(guān)的微生物群,，首先在田間種植了野生型（WT）B73植株和一個(gè)BX1玉米突變體的近等基因系。Bx1編碼一個(gè)產(chǎn)生吲哚作為BX前體的色氨酸合酶α同系物,。因此,，bx1突變體存在BX缺陷。根表面洗液顯示bx1植株比WT植株分泌的BXs少90%（圖1a,，補(bǔ)充圖1a）,，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的培養(yǎng)，土壤巖心提取物中BXs含量明顯減少（圖1b,，補(bǔ)充圖1b, c）,。播種后三個(gè)月，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期末期,，對(duì)田間培養(yǎng)的WT和bx1植株的土壤,、根和根際樣品進(jìn)行了細(xì)菌和真菌核糖體標(biāo)記基因分析。實(shí)驗(yàn)沒(méi)有觀察到任何對(duì)α多樣性的影響（BX滲出對(duì)微生物多樣性影響的深入分析見(jiàn)補(bǔ)充數(shù)據(jù)3）,。無(wú)約束和約束排序均表明,，WT和bx1植株的細(xì)菌和真菌群落組成存在顯著差異（圖1c, d，補(bǔ)充圖1d, e）。多變量統(tǒng)計(jì)證實(shí)了這些效應(yīng)的顯著性（補(bǔ)充表1和2）,。通過(guò)對(duì)單個(gè)操作分類單元（OTUs）的仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn),，B73和bx1植株之間存在大量的、區(qū)域特異性的微生物區(qū)系變異（補(bǔ)充圖1f-k）,。bx1依賴效應(yīng)約占總菌群變異的5%（補(bǔ)充表1），在不同品種或系間的多位點(diǎn)比較中通常觀察到的變異水平。因此,，BXs從玉米根滲出的差異與根際和根際微生物群的顯著變化有關(guān)。

2 BXs對(duì)土壤改良增強(qiáng)了植物的防御能力

為了檢測(cè)根際微生物組成中BX依賴的變化是否與植物性能的變化有關(guān)，測(cè)量了生長(zhǎng)在WT或bx1突變體植物（分別稱為“BX+”和“BX?”土壤）的土壤核心中的玉米植株的生長(zhǎng)和食草性防御。在BX+土壤中生長(zhǎng)的植物比在BX?土壤中生長(zhǎng)的植物體積小,，葉綠素含量少,，累積的地上部生物量少（圖2a，補(bǔ)充圖2a, b）,。此外,，生長(zhǎng)在BX+土壤中的植株葉子上的夜蛾幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)也受到了抑制（圖2b，補(bǔ)充圖2c）,。不同土壤類型的葉片損傷程度無(wú)顯著差異（圖2c）,，這說(shuō)明樹(shù)葉沒(méi)有那么美味，而不是對(duì)夜蛾的吸引力并沒(méi)有那么大,。代謝物分析表明,，在BX+土壤中生長(zhǎng)的植物葉片含糖、可水解氨基酸和總可溶性蛋白水平降低,，但防御信號(hào)水楊酸（SA）,、茉莉酸（JA）和12-氧植二烯酸水平升高（OPDA；圖2d,，補(bǔ)充圖2d, e）,。防御標(biāo)記基因，如JA-反應(yīng)性絲氨酸蛋白酶抑制劑（ZmSerPIN）和毒性核糖體失活蛋白2（ZmRIP2）也上調(diào)（圖2d,，補(bǔ)充圖2f）,。防御代謝物的濃度以及防御標(biāo)記基因如SA標(biāo)記ZmPR1和蛋白酶抑制劑ZmMPI在不同土壤處理之間沒(méi)有差異（圖2d，補(bǔ)充圖2f, g）,。總之,，這表明BX分泌物對(duì)土壤的調(diào)節(jié)作用與JA反應(yīng)性防御的表達(dá)增加和草食動(dòng)物生長(zhǎng)的抑制相關(guān)，并降低初級(jí)代謝物積累和下一代植物的生長(zhǎng),。

3 BXs對(duì)生長(zhǎng)的影響具有基因型特異性

為了證實(shí)BX通路參與了所觀察到的土壤調(diào)節(jié)對(duì)植物性能的影響，本研究控制在溫室土壤中添加了3個(gè)額外的bx突變體及其各自的野生型系W22,，并確定了植物和食草動(dòng)物在下一代中的表現(xiàn),。與B73背景下的結(jié)果一致，在W22條件土壤中生長(zhǎng)的W22植物,，與bx1,、bx2或bx6突變控制的土壤相比,，食草動(dòng)物的生長(zhǎng)速度有所下降（圖3a）。然而,，在W22背景中沒(méi)有觀察到生物量效應(yīng)（圖3b）,。生理測(cè)量證實(shí)了這些差異表型。與增強(qiáng)的食草動(dòng)物抗性相一致（圖3a）,，并且與B73植株相似,，W22背景下的響應(yīng)植株顯示出防御激素和防御標(biāo)記基因水平升高（圖3c，補(bǔ)充圖3）,。與B73不同而與W22植物缺乏生長(zhǎng)效應(yīng)相一致（圖3b）,， W22響應(yīng)植物的葉片在可溶性蛋白水平上沒(méi)有差異，這與之前的調(diào)控?zé)o關(guān)（圖3c,，補(bǔ)充圖3）,。因此，葉片防御中BX依賴的增加似乎與生長(zhǎng)抑制的遺傳分離,，并且BX土壤調(diào)節(jié)的生長(zhǎng)效果隨著植物遺傳背景的不同而不同,。

4 BXs的效果比冬季休眠期更持久

在農(nóng)業(yè)環(huán)境中，土壤調(diào)節(jié)和下一代植物的生長(zhǎng)通常被休耕期分開(kāi),。為了解釋這一影響,，該研究對(duì)土壤進(jìn)行了處理，讓它們?cè)谔镩g越冬,，然后評(píng)估這些BX+和BX?土壤在下一階段對(duì)植物生長(zhǎng)和防御的反饋,。BX土壤處理對(duì)植物和草食動(dòng)物性能的影響與休耕期無(wú)關(guān)（補(bǔ)充圖4）。

5 分解產(chǎn)物MBOA對(duì)于土壤反饋是足夠的

MBOA是BX+土壤中主要的Bx1依賴的代謝物（圖1b,，補(bǔ)充圖1b）,。因此，推測(cè)這種代謝物可能足以引起植物生長(zhǎng)和防御的變化,。為了驗(yàn)證這一假設(shè),，研究人員測(cè)量了單獨(dú)盆栽WT植株土壤中3個(gè)月的MBOA總水平（補(bǔ)充圖5a）,，并且在相同的時(shí)間內(nèi),，以MBOA的匹配量補(bǔ)充種植bx1植物的土壤。MBOA互補(bǔ)恢復(fù)了后續(xù)植株的生長(zhǎng)和食草表型（圖4a, b）,，并將BX響應(yīng)的葉片代謝標(biāo)志物恢復(fù)到WT水平（圖4c,，補(bǔ)充圖5b-h）。總之,，這些結(jié)果表明,，土壤來(lái)源的MBOA來(lái)增加防御和降低下一代植物的生長(zhǎng)是足夠和必要的,。

6 土壤微生物群的變化引起反饋效應(yīng)

根系分泌物可能通過(guò)pH值、養(yǎng)分,、土壤結(jié)構(gòu)和土壤生物群落等一系列因素影響下一代植物的性能,。在控制階段結(jié)束時(shí)和響應(yīng)階段結(jié)束后，元素分析和pH測(cè)量沒(méi)有顯示出BX+和BX?土壤之間的任何顯著差異（補(bǔ)充表4）,。此外,，在50%的非條件盆栽土中加入高有機(jī)質(zhì)和高營(yíng)養(yǎng)含量的條件性田間土壤，并不影響下一代植株的反饋效應(yīng)（補(bǔ)充圖6）,。因此,，評(píng)估了土壤微生物群中BX依賴的變化是否與觀察到的反饋效應(yīng)有關(guān)。為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè),，對(duì)BX+和BX?土壤通過(guò)X射線進(jìn)行了滅菌,，并用BX+和BX?土壤的微生物分泌物補(bǔ)充無(wú)菌土壤。通過(guò)25μm過(guò)濾得到微生物分泌物,，導(dǎo)致溶液里包含土壤微生物,，但是沒(méi)有大的土壤生物。土壤滅菌消除了BX+和BX?土壤在植物和草食動(dòng)物性狀和代謝葉標(biāo)記上的差異（圖5,，補(bǔ)充圖7,，補(bǔ)充表5, 6）。補(bǔ)充BX+和BX?土壤微生物分泌物,，完全恢復(fù)了BX依賴對(duì)植物生長(zhǎng)和防御的作用（圖5,，補(bǔ)充圖7，補(bǔ)充表5, 6）,。

7 MBOA,、微生物群與反饋效應(yīng)的關(guān)系

為了研究土壤微生物與MBOA之間的聯(lián)系，研究人員給bx1植物補(bǔ)充生理水平的MBOA（補(bǔ)充圖5a）,，然后用X射線對(duì)一組對(duì)照和經(jīng)MBOA處理的土壤核進(jìn)行滅菌,。不經(jīng)后續(xù)滅菌的MBOA補(bǔ)充降低了植株和夜蛾的生長(zhǎng)，并誘導(dǎo)了與之前實(shí)驗(yàn)相似的葉片防御（圖6,，補(bǔ)充圖8a-g）,。當(dāng)MBOA補(bǔ)充的土壤經(jīng)滅菌處理后，這些效應(yīng)會(huì)消失（圖6,，補(bǔ)充圖8a-g）,。X射線對(duì)土壤中殘留MBOA濃度沒(méi)有影響（補(bǔ)充圖8h）,，這可以排除來(lái)自土壤的MBOA對(duì)植物生長(zhǎng)和防御的直接影響。總之,，這些結(jié)果表明,，MBOA誘導(dǎo)的土壤微生物群的變化足以解釋植物生長(zhǎng)和防御的BX依賴效應(yīng)。

8 BXs可形成下一代植物的菌群

為了了解BX土壤處理是否改變了響應(yīng)植物的根相關(guān)菌群,，研究人員分析了生長(zhǎng)在BX+和BX?土壤中野生植物的根和根際樣品中的真菌和細(xì)菌群落,。無(wú)限制和受限制的縱坐標(biāo)顯示，細(xì)菌和真菌在根際和根之間以及在BX+和BX?土壤之間有明顯的分離（圖7a, b,，補(bǔ)充圖9a, b）,。多變量統(tǒng)計(jì)證實(shí)了這些效應(yīng)的顯著性（補(bǔ)充表7和8；參考補(bǔ)充數(shù)據(jù)3來(lái)深入分析BX土壤處理對(duì)微生物多樣性的影響）,。放線菌門(mén)OTUs和屬于子囊菌綱和球囊菌門(mén)的OTUs的亞群對(duì)根和根際樣品的分離貢獻(xiàn)最大（圖7c, d）,。變形菌門(mén)的一個(gè)類群在BX+土壤中更豐富，而一些綠彎菌門(mén)和其他門(mén)的OTUs則是在BX?土壤中更豐富,。真菌群落的多樣性更大,，而且在兩種土壤條件下的子囊菌亞群的分類學(xué)模式也不太清晰。此外,，研究人員注意到,，在BX+土壤中，球囊菌門(mén)的OTUs數(shù)量較少,，這表明它們受到了BX調(diào)節(jié)的負(fù)面影響,。雖然OTU水平的分析證實(shí)了在BX+和BX?土壤的根和根際樣品之間，特定的細(xì)菌OTUs存在差異,，但真菌OTUs則不是這樣,，因?yàn)槠淙郝浣M成不均勻（補(bǔ)充圖9c-h，補(bǔ)充數(shù)據(jù)4）,。因此,，與真菌相比，在響應(yīng)植物的根際,，微生物對(duì)植物生長(zhǎng)和防御的BX依賴作用的調(diào)節(jié)與細(xì)菌的變化關(guān)系更大,。

眾所周知,，植物可以改變土壤微生物群,，從而決定其后代的性能，但這種現(xiàn)象背后的機(jī)制尚未被很好地理解,。在這里,，研究人員描述了一種機(jī)制，通過(guò)改變土壤中細(xì)菌和真菌群落的組成,，玉米植物通過(guò)這種機(jī)制來(lái)決定下一代的生長(zhǎng)和防御,。這些發(fā)現(xiàn)支持以下的機(jī)制（圖8）：玉米釋放一種混合代謝物，包括BXs,，如DIMBOA,，從根而來(lái)，從而影響根相關(guān)菌群的組成（圖1）,。DIMBOA相對(duì)壽命短,，并能迅速而自發(fā)地轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的MBOA，它能在土壤中積累（圖1）,。MBOA（可能還有其他BXs）對(duì)土壤進(jìn)行調(diào)理,，會(huì)在下一代植物中引發(fā)與根系相關(guān)的微生物群結(jié)構(gòu)的變化（圖7）。這些變化增加了葉片的防御能力,，抑制了草食動(dòng)物的生長(zhǎng),，降低了植物的生長(zhǎng)，后者取決于植物的遺傳背景（圖2）,。還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)闡明從調(diào)節(jié)階段傳遞到反應(yīng)階段BX依賴因素的確切性質(zhì),。補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)表明，反饋效應(yīng)不需要較大的土壤動(dòng)物,。相反,，微生物和/或其代謝物很可能被傳播，并可能決定下一代微生物群的組裝,。詳細(xì)的微生物組分析,，包括減少土壤中殘留DNA產(chǎn)生的噪音的方法，以及高分辨率的代謝物指紋分析,，結(jié)合BX+和BX?控制土壤中的微生物分泌物的活性篩選,，將有助于檢驗(yàn)這些假設(shè)。

長(zhǎng)在BX+土壤中的B73植物對(duì)草食動(dòng)物生長(zhǎng)的抑制作用與葉片防御激素SA和JA濃度的增加有關(guān)，和更強(qiáng)的JA表達(dá),，而不是SA反應(yīng)的防御標(biāo)記基因（圖2,，補(bǔ)充圖2）。注意,，ZmPR10在玉米中是JA而不是SA響應(yīng),。依賴JA的防御系統(tǒng)可以提高玉米對(duì)食草動(dòng)物的抗性,，包括短翅目（Spodopterafrugiperda）。盡管SA可以在許多植物中抑制JA信號(hào),，但它已被證明可以啟動(dòng)玉米中對(duì)JA的依賴防御,。因此，土壤微生物群中BX依賴的變化可能增加了葉片中SA和JA的信號(hào)水平,，從而觸發(fā)了依賴于JA的防御機(jī)制,，進(jìn)而增強(qiáng)了對(duì)草食動(dòng)物的抗性。盡管SA水平升高,，但SA標(biāo)記基因未被誘導(dǎo)這一事實(shí)說(shuō)明JA對(duì)SA信號(hào)的負(fù)調(diào)控,。觀察到的表型在一定程度上讓人聯(lián)想到誘導(dǎo)的系統(tǒng)抗性(ISR)，即根細(xì)菌個(gè)體對(duì)根的定植增加了植物葉片的病原菌和食草性抗性,。ISR通過(guò)促進(jìn)包括擬南芥,、水稻和玉米在內(nèi)的各種植物中JA信號(hào)的傳遞而發(fā)揮作用。根桿菌假單胞菌株KT2440被玉米BXs15誘導(dǎo)啟動(dòng)系統(tǒng)的,、依賴于JA的防御反應(yīng),，并啟動(dòng)ISR反抗玉米炭疽病真菌Colletotrichum graminicola。雖然ISR傳統(tǒng)上與單根菌與植物相互作用有關(guān),，但希望復(fù)雜的微生物群落能夠適應(yīng)相同的特性,，并能夠誘發(fā)ISR。本研究提供了一個(gè)特定微生物群組成與植物防御能力增強(qiáng)相關(guān)的例子,。未來(lái)的工作需要闡明微生物群落在誘導(dǎo)ISR中的作用和能力,。這樣的工作將有助于對(duì)植物微生物群如何支持宿主免疫系統(tǒng)的更普遍的理解。

除了增強(qiáng)防御外,，生長(zhǎng)在BX+土壤中的B73植物還表現(xiàn)出莖部,、葉片氨基酸、總可溶性蛋白和糖的減少,。W22背景中不存在負(fù)生長(zhǎng)效應(yīng)和總蛋白耗竭,。這一結(jié)果表明，BX+調(diào)節(jié)的生長(zhǎng)和防御作用可以在W22中解耦,，這對(duì)農(nóng)業(yè)有潛在的影響,。玉米，通常在同一塊地連續(xù)種植好幾年,，通過(guò)增強(qiáng)防御和草食動(dòng)物抗性可能從BX土壤調(diào)理和微生物調(diào)節(jié)中受益,。然而，根據(jù)不同的玉米基因型,，BX土壤處理可能會(huì)降低生長(zhǎng)和產(chǎn)量,。雖然玉米通常被認(rèn)為是相對(duì)自我耐受的，但眾所周知，輪作有利于玉米,。該研究表明,，農(nóng)民可以通過(guò)種植不顯示負(fù)的植物-土壤反饋的基因型來(lái)進(jìn)一步提高玉米的自我耐受性。理解BX依賴的生長(zhǎng)抑制的遺傳結(jié)構(gòu),，無(wú)論是潛在的直接化感效應(yīng)還是間接的微生物介導(dǎo)的土壤反饋效應(yīng),，都是一個(gè)令人興奮的前景,。

植物品種或材料的基因組在多個(gè)位點(diǎn)上因不同的等位基因而異,，這種高水平的宿主遺傳多樣性通常解釋了根和根際微生物群落約5-6%的組成變異。在27個(gè)玉米自交系（自交系的基因組在多個(gè)位點(diǎn)存在差異）中也發(fā)現(xiàn)了相似的遺傳變異水平,。令人吃驚的是,，通過(guò)比較基因幾乎相同但BX產(chǎn)物不同的植物，發(fā)現(xiàn)了相同水平的微生物群變異（補(bǔ)充表1）,。這一觀察結(jié)果表明,，BX通路在構(gòu)建玉米根和根際微生物群方面起著重要作用。未來(lái)的實(shí)驗(yàn)可以擴(kuò)展這些發(fā)現(xiàn),，包括不同的土壤類型和不同響應(yīng)作物的輪作場(chǎng)景,，以評(píng)估所觀察到的微生物組響應(yīng)和效應(yīng)是否廣泛，對(duì)可持續(xù)種植系統(tǒng)是否重要,。研究BXs是否以及如何與黃酮類化合物等其他玉米生物活性分泌物代謝物相互作用也將是一件有趣的事情,，這些物質(zhì)也可能形成玉米根際微生物群。

根系分泌物促進(jìn)了基質(zhì)驅(qū)動(dòng)的植物特有根和根際微生物群從周圍土壤生物群落的組裝過(guò)程,。雖然根系分泌物的這一整體功能是無(wú)可爭(zhēng)議的,，但對(duì)于復(fù)雜根系分泌物中特定的化合物如何影響微生物群落結(jié)構(gòu)還沒(méi)有很好的理解。已知微生物群落會(huì)對(duì)有效的營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)環(huán)境產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的反應(yīng),。例如,，土壤細(xì)菌群落的特定類群以碳基質(zhì)依賴的方式大量增加了葡萄糖、甘氨酸和檸檬酸等常見(jiàn)根系分泌物化合物的個(gè)體添加量,。在這里,，通過(guò)遺傳學(xué)方法擴(kuò)展了這一觀點(diǎn)，表明除了初級(jí)代謝物,，次級(jí)代謝物如BXs對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物群落特征有重要影響,。因此，本研究為理解植物化學(xué)驅(qū)動(dòng)的植物-微生物相互作用邁出了一步,。

植物與土壤之間的相互作用決定了植物在自然和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的共存,、演替和生產(chǎn)力。本研究確立了植物通過(guò)根系分泌生物活性分子來(lái)改變土壤微生物區(qū)系,，從而影響下一代植物的生長(zhǎng)和食草性防御,。這一發(fā)現(xiàn)通過(guò)建立植物次生代謝產(chǎn)物的關(guān)鍵作用，擴(kuò)展了目前關(guān)于可遺傳植物性狀在調(diào)節(jié)植物相關(guān)微生物群落中的重要性的觀點(diǎn)。此外,，這些實(shí)驗(yàn)還提供了土壤微生物群落的分泌物依賴的變化與植物性能之間的功能聯(lián)系,。鑒于生物活性代謝物向根際釋放是植物的一個(gè)共同特征，根系分泌物對(duì)植物性能的微生物群落介導(dǎo)效應(yīng)可能在自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在,。

該研究提出了植物根系分泌物如何調(diào)節(jié)根際微生物群,，從而影響下一代植物的生長(zhǎng)和防御的機(jī)制。為進(jìn)一步探究植物微生物支持宿主免疫系統(tǒng),、BX的生長(zhǎng)抑制遺傳結(jié)構(gòu)以及化學(xué)驅(qū)動(dòng)的植物-微生物相互作用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),。

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