玉米发芽的过程 玉米发芽的过程七天图片

英文主题：PlantflavonesenrichrhizosphereOxalobacteraceaetoimprovemaizeperformanceundernitrogendeprivation

中文主题：植物黄酮影响根际有益微生物改善缺氮条件下的玉米生长性

发表期刊：NaturePlants

影响因子：13

发表时间：2023年4月

近日，西南大学资环学院陈新平教授团队与德国波恩大学于鹏博士团队及FrankHochholdinger教授团队联合在NaturePlants发表文章PlantflavonesenrichrhizosphereOxalobacteraceaetoimprovemaizeperformanceundernitrogendeprivation，该文章揭示了玉米根系发育与根际有益微生物相互作用的生物学机制。阐明了根际微生物群、宿主遗传变异和宿主基因表达之间的因果相互作用，这些相互作用影响氮剥夺下的根发育过程和养分捕获。

植物根系和根际微生物之间的有益相互作用对于植物健康至关重要。控制根结构和微生物群落结构之间反馈的分子机制在玉米中仍然难以捉摸。在这里，我们证明了沿纵向根轴的转录组梯度与根际微生物多样性的特定变化有关。我们已经确定，根源性黄酮主要促进根际草酸杆菌科细菌的富集，进而促进玉米生长和氮的获取。遗传实验表明，LRT1介导的侧根发育协调根系与缺氮条件下依赖黄酮的草酸杆菌科的相互作用有关。这些实验揭示了根系结构与根际特定微生物类群的组成和多样性之间相互作用的遗传基础，从而提高了植物的性能。这些发现可能通过利用它们与有益土壤微生物的相互作用，为培育高产和营养高效的作物开辟新的途径。

在植物从自然生态系统到现代农业的驯化和改良过程中，根系迅速扩展了其功能和复杂性。根介导的过程是造成根际物理和化学特性发生重大变化的原因，它定义了受根特性影响的土壤范围。它代表了一种独特的土壤环境，其中蕴含了复杂的生物地球化学过程和动态生物相互作用，主要由植物根系通过其分泌活动和土壤微生物驱动，称为根际微生物群。植物-土壤-微生物相互作用反过来影响植物的生长、发育和健康。越来越多的证据发现了土壤因子和植物基因型在受控条件下对根际微生物群的组装和功能的强烈影响。植物能够塑造它们的根际微生物群，这一点得到了广泛结果支撑，即不同的植物物种在同一土壤中生长时具有特定的微生物群落。植物根系显示出极端发展的可塑性，使它们能够对广泛的环境条件做出反应。关于微生物群落，促进植物生长的根际细菌通过调节细胞**和分化来影响根的生长和发育，导致根系结构的变化。迄今为止，尚未在发育过程中的根系结构特征与特定微生物分类群的组成或多样性之间建立作物物种的关联。

玉米(ZeamaysL.)具有复杂的根系结构和广泛的基因组多样性。玉米是探索根结构、遗传变异、基因调控及其与根际微生物群相互作用之间关系的极好模型。玉米根系包括在不同发育阶段形成和发挥作用的不同根类型。不同的玉米根类型显示出特定的解剖学特征、不同的转录组学特征和对养分有效性的不同反应。玉米根系的巨大结构和功能多样性有可能影响根际微生物群的组成。具体来说，根类型特定的代谢特性会影响栖息在玉米和水稻中各自根类型的微生物群落。相反，有人提出根相关细菌有助于在籼稻和粳稻品种中观察到的氮利用效率差异，这表明根微生物群可以减轻作物的整体营养压力。不同的玉米基因型在其细菌微生物群落和不同细菌分类群的特定富集方面表现出差异。在不同的玉米种质群中，甜玉米显示出独特的根系分泌物成分，并且倾向于富集与根际固氮活动相关的细菌类群。玉米根系分泌物含有多种代谢物，包括分泌到根际的大量苯并噁唑嗪酮类化合物和黄酮类化合物。玉米根部释放的苯并噁唑嗪酮类物质通过塑造根际微生物群来驱动植物性能和防御。类黄酮被认为是关键的根释放的根际信号分子，可调节根与微生物的相互作用。黄酮合酶(FNS)和査尔酮合酶C2等基因对玉米中的类黄酮生物合成至关重要。根黄酮对于启动与豆科植物中的根瘤菌共生是必不可少的，并且还充当生长素转运调节剂。这意味着类黄酮介导的根-微生物相互作用也可能调节宿主植物的发育过程。特定根类型的代谢特征，以及玉米根际微生物类群的组成和多样性，可能是田间条件下养分吸收和作物性能遗传改良的候选目标性状。

植物通过根系在营养贫乏的土壤中的发育适应来加强它们与微生物的联系，以优化养分的获取。植物和微生物在根-土边界处的相互作用及其对根际微生物群落和植物养分获取的影响迄今为止很少受到关注。在本研究中，我们阐明了根际微生物群、宿主遗传变异和宿主基因表达之间的因果相互作用，这些相互作用影响氮剥夺下的根发育过程和养分捕获。

结果

1、沿纵向根轴的发育梯度在其转录组学概览结果中有所不同

我们将第二轮冠根的三个纵向区域（图1a）（补充图1a），从20个田间种植的玉米自交系（补充图1b）的三个生物学重复中，进行转录组学实验，以及附着的根际土进行真菌和细菌微生物测序分析。三个根区包括分生区和伸长区的根部（1区）、伸长区的基部和具有根毛和出现侧根原基的分化区的根部（2区）分化区的基部有根毛和侧根（3区）（图1a）。分离的纵向根区反映了根系渗出和养分吸收能力、养分有效性和沿根际微生物密度的动态模式（图1a）。主成分分析（PCA）与差异基因分析一起说明了与区域1相比，区域2和3之间的高转录组相似性（图1c和补充图1c）。为了确认这些区域之间的功能变异，差异表达的基因（补充数据集1）通过GO富集分析进行功能分类。在三个成对比较中，1区与2区和1区与3区的根毛伸长（GO：00，错误发现率（FDR）<0.01）和侧根发育（GO：00，FDR<0.05）用于2区与3区以及1区与3区（补充图1c），突出显示组织特异性转录组变化与三个区域中这些性状的发育变化一致。

我们进一步对根转录组数据进行加权基因共表达网络分析（WGCNA）（补充数据集2），该分析根据基因的表达谱将基因聚类到模块中，并确定了49个共表达模块，这些模块是高度相互关联的基因集相似的基因表达模式（补充数据集3）。具体来说，我们检测到9个模块(M22-M30)在根发育过程中显示出特定的富集，6个共表达模块(M22-M27)在根从年轻分生区到老分化区的分化过程中逐渐耗尽，而三个模块(M28-M30)在所有玉米基因型的区域3中富集（补充图2a）。这些模块的功能注释证明了沿着发育区的特定生物过程的富集（补充图2b和补充数据集4）。其中，生长模块26与防御模块30（图1b）呈拮抗性关联，突出了根分化过程中的平衡生长-防御权衡。特别是发现生长素信号转导和苯丙烷生物合成在生长模块26中具有高度交互性（补充图3a和补充数据集5）。对于防御模块30，玉米中枢基因乙酰辅酶A羧化酶1（ACC1，Zm00001d004125）被确定为核心参与者，与次级代谢和微生物碳和氮代谢相关的通路相互作用（补充图3b和补充数据集6）。ACC通过乙酰辅酶A羧化产生丙二酰辅酶A被认为是脂肪酸和类黄酮生物合成的基本底物之一。相互关联的玉米基因脂肪酸生物合成sis1（FAB1，Zm00001d0），编码参与脂肪酸生物合成的基因，和白花粉1（WHP1，Zm00001d007403），编码参与黄酮类相应生物合成的查耳酮合酶。对于氮代谢，谷氨酰胺合成酶GLN6(Zm00001d0)和天冬酰胺合成酶asn3(Zm00001d0)和asn4(Zm00001d0)与铵流入有机氮化合物有关。这些分析突出了与碳/氮代谢相关的基因的富集以及黄酮类化合物对沿玉米冠根的根-根际相互作用的潜在作用。

2、根际细菌群落组成沿纵向根轴移动，而真菌群落组成则没有

为了了解根际微生物分类群沿根的分布，我们通过16SrRNA和ITS区测序分析了细菌和真菌微生物群落结构组成。稀释性曲线分析表明，微生物多样性的测序具有足够的覆盖率，可以捕获20种玉米基因型的每个区域的大多数根际微生物分类群成员（补充图4a）。PCA分析表明，无论基因型如何，在沿发育区的玉米根际观察到细菌群落组成发生强烈变化（图1d），但在真菌微生物群落组成中没有观察到（图1e和补充表1）。在不同的根区域之间微生物多样性丰度有差异，区域3显示出比区域1和2更低的细菌群落多样性，而在这些区域之间没有观察到真菌群落多样性的显著差异（补充图4b）。检测到大块土壤和根际土壤的细菌群落结构存在显著差异（补充图5a）。七个高度丰富的门（>96％）（补充图4c）在大块土壤和根际土壤之间存在显著差异（FDR<0.05；补充图5b）。在丰度>0.1％的根际细菌门中，变形菌和疣微菌在区域3中显著富集，在该区域形成侧根原基并出现侧根（补充图5b）。相比之下，酸杆菌、Gemmatimonadetes、Chloroflexi和Nitrospirae从1-3区则丰度逐渐降低（补充图5b）。放线菌始终存在于所有三个根区的根际（补充图5b）。为了研究细菌和真菌之间的根基因型或/和区域依赖性根际微生物OTU之间的关系，进行互作网络分析（补充数据集7）。与PCA数据一致，细菌OTU显示出复杂的网络，而真菌OTU则没有（补充图6a）。与Nitrospirales相关的细菌OTU与对应于Verrucomicrobiales的OTU显示出强烈的负相关（补充图6b）。与鞘脂单胞菌和疣状微生物相关的细菌OTU显示出最高的累积分类群内相关性，尽管伯克霍尔德菌是鞘脂单胞菌和疣微生物之间相互作用的主要细菌分类群（补充图6c）。我们猜想根际细菌微生物群落的组成和多样性的变化可能与沿根发育区的转录组差异有关。

3、沿纵向根区的根转录组和根际微生物群落的关联分析

为了关联基因表达和微生物OTU丰度，我们将显著相关的基因和OTU进行分析（补充数据集8和补充表2)。协方差分析表明，在宿主根中表达的特定基因与细菌OTU的相互作用比根际中的真菌OTU（差异20倍，FDR<0.001）更强（图1f和补充表3）。为了确定根区如何与基因类型的根际微生物群相关联，我们将特征基因与微生物分类群的相对丰度作为“特征”相关联，并寻找最重要的关联。我们搜索了这些微生物分类群与模块特征基因表达值之间的显著相关性，并确定了从门到物种的30个基因型或区域特异性、基于模块的微生物分类群相关性（补充数据集9）。我们进一步证实，宿主转录组模块与细菌的相关性比与真菌在目分类学水平上强得多（图1g和补充数据集9）。生长和防御基因模块与不同的细菌目有不同的关系——例如，硝化螺旋目与生长相关模块（模块22、25和26）呈正相关，疣状微生物目与生长相关模块负相关。防御相关模块（模块28-30）（图1g和补充数据集9）。值得注意的是，使用基于相关性的网络分析，我们证明根区特异性基因模块表达与沿纵轴的特定根际细菌分类群密切相关。

4、根转录组和根际微生物群落的基因型依赖性变化与植物性能同步

接下来，我们提出玉米的生长性能是否与其转录组学特征与根际微生物群落相互作用的基因型特异性有关。我们研究了20种遗传学上不同的基因型，并表明基因型在田间的生物量产生、叶面积、光合作用和枝条氮积累方面表现不同（补充图7）。在这些基因型中，与其他基因型相比，玉米自交系787显示出最高的叶面积、枝条生物量和氮积累，而LH93在相同的田间条件下表现不佳（补充图7）。通过将这些基因型的根转录组加入WGCNA分析，我们确定了与四个系统遗传进化枝（A-D）相关的四个模块（M1-M4）和对应于17个不同基因型的17个模块（图2a）。只有少数基因型特异性模块GO功能上显著富集（图2a），表明差异并不总是与基因型之间的功能多样性有关。我们假设根转录组的基因型依赖性变化可能是观察到的根际微生物群落变化的基础。近交系787显示了沿纵向根际的独特细菌群落（补充图8a）及其相应的转录组学模块5，与所有其他玉米相比，在门和目水平上与细菌分类群的相关性最高基因型（图2b和补充图8b、c）。与其他基因型相比，模块5与细菌目Clostridiales、Bacteroidales、Lactobacillales、Burkholderiales、Chromatiales、Opitutales、Rhodobacterales和Sphingobacteriales具有显著高度相关性（补充图9）。近交系787显示出富集那些预测与氮代谢和转化相关的分类群的强烈趋势（例如，毛螺菌科和亚硝化单胞菌科）（图2c）。有趣的是，与本研究中的其他细菌家族相比，草酸杆菌科仅在基因型787的根际富集，与模块5的相关性最高（图2c和补充图10）。在属水平上，与其他玉米基因型相比，除了B73和W64A（补充数据集10），自交系787的根际中Massilia的相对丰度显著丰富。特别是与防御相关模块（M28-M30）相比，草酸杆菌科的富集与生长相关模块26和27密切相关（补充数据集9）。这些结果表明，特定细菌类群由于基因型特异性特性而变得富集，并且与植物营养和生长状态有关。

5、类黄酮组成与根际微生物群组成和玉米生长特性一致

为了加深我们对近交系787卓越性能的理解，我们调查了787转录组中具有特殊模块化连接的基因。其中，编码黄酮合酶的I2型黄酮合酶（FNSI2，Zm00001d0）在模块5（补充数据集11）中显示出最高的模块连接性。FNSI2的鉴定，以及区域特异性转录组分析中黄酮类生物合成相关基因ACC1和WHP1的富集，突出了黄酮类代谢及其与玉米根际微生物群相互作用的潜在重要性。与这一观察结果一致，经典遗传研究表明，根黄酮对大豆和苜蓿中豆科植物根瘤的形成至关重要。特别是，黄酮和黄酮醇在豆科植物-根瘤菌共生过程中的根-微生物相互作用中发挥着独特而关键的作用。转录组数据表明FNSI2在根皮层**异性表达；相反，它的旁系同源基因FNSI1(Zm00001d0)主要在叶子中表达（补充图11）。黄酮合酶是催化黄烷酮柚皮素和圣草酚分别转化为芹菜素和木犀草素的关键酶。具体而言，自交系787的根比自交系LH93含有和渗出的芹菜素和木犀草素显著更多，后者积累了较少的FNSI2转录本（图2d、e）。14C标记和成像实验（补充图12a）表明，与LH93相比，近交系787向根际释放了更多的根系分泌物（补充图12b，c）。然后，我们测试了根际微生物群组成的787依赖性变化是否与植物性能和氮使用的变化有关。为此，我们对生长旺盛的近交系787和表现不佳的近交系LH93进行了绝育和根际移植试验。尽管玉米自交系787在氮匮乏土壤中比LH93产生更多的干枝生物量，但在无菌土壤中栽培时未观察到这两种基因型之间的生长差异（图2f）。当LH93被移植到自交系787先前已经生长的土壤（787生长的土壤）中时，LH93显著增加了枝条生物量的产生。相比之下，当将品系787转移到移植后18天（DAT）之前生长过LH93品系的土壤（LH93生长的土壤）时，它显示出显著的生长抑制（图2g）。28DAT后，LH93和787生长土壤中自交系787的枝条生物量没有显著差异，而LH93在787生长土壤中的表现明显优于LH93生长土壤（图2g）。特别是，移植前土壤的总氮和有效矿质氮在787和LH93生长的土壤之间没有显著差异（补充图13）。我们推测由活跃的基因型787调节的根际微生物群足以触发表现不佳的基因型LH93的生长。为了进一步探索787依赖性根际微生物群的作用，我们对787和LH93的根际微生物群进行了鸟枪宏基因组测序（补充图14a）。宏基因组学数据验证了787系的宿主特异性微生物群与LH93系的宿主特异性微生物群不同（补充图14b）。我们通过将这些宏基因组的高质量数据与使用直系同源组(COG)数据库簇（方法）的注释数据库进行比较来进行功能注释。结果表明与LH93相比，与LH93基因型相关的根际微生物群中的许多生物发生、运输和代谢相关过程显著富集（补充图14c和补充数据集12）。我们的结果支持了这样一个假设，即一个有活力的植物基因型拥有一个功能更多样化的微生物群落的根际，这导致表现不佳的基因型的植物性能得到改善。

6、植物来源的黄酮介导影响从土壤中捕获氮的根际细菌类群的特定变化

为了确定类黄酮的存在是否会改变根际相关微生物群，我们比较了C2野生型植物与自然沉默的显性玉米突变体Colorless2-Inhibitordiff(C2-Idf)的表现，后者在编码查耳酮合酶的基因中存在缺陷（图.3a)。与C2野生型植物相比，C2-Idf突变体显示出高度降低的芹菜素相关类黄酮水平。在氮匮乏和未消毒土壤中生长3周后，C2-Idf植物从老叶到新叶逐渐表现出严重的萎黄和坏死，这表明缺氮（图3b）导致枝条生长受抑制（图3c））。土壤消毒后，两种基因型的生长同样弱小，生物量产生没有差异（图3c）。接下来，我们将C2野生型和C2-Idf突变体植物移植到先前种植这两种基因型的土壤中，并观察到种植在C2生长土壤（16DAT）中的C2-Idf突变体叶片中的缺氮症状减少（图3d)。相比之下，与重新种植到生长了C2野生型的土壤中的C2野生型相比（20DAT）（图3）,移植到生长了C2-Idf突变体的土壤中的C2野生型植物中的氮缺乏变得更加严重。这些结果表明，生长黄酮类植物的土壤中的微生物群能够缓解缺氮症状（图3d、e）。我们提出类黄酮通过微生物群落的变化触发了观察到的植物生长和氮利用的增强。为了更进一步确定这个假设，我们分别将不同类型的不同浓度的黄酮类化合物分别外施到纸卷系统和土壤中，并评估了C2-Idf植物的性能。在纸卷系统中确定了用于土壤应用的最佳浓度为1µM的芹菜素（补充图15a、b）。向C2-Idf幼苗补充1µM不同类型的黄酮类化合物对纸卷系统补充图15c）或消毒土壤（补充图15d）中的枝条生长没有影响。这表明添加黄酮对无菌系统中的C2-Idf生长没有影响。值得注意的是，与其他类黄酮类型相比，芹菜素是在未消毒的氮匮乏土壤中恢复C2-Idf植物生长和氮积累的唯一黄酮（补充图15d，e）。这表明黄酮依赖性、根际微生物驱动的过程而不是根系分泌物衍生的黄酮本身影响植物生长和氮营养。我们通过16SrRNA-seq检查了C2野生型和突变体C2-Idf的细菌群落，发现C2野生型根际从变形杆菌门中富集了异常高丰度的属于草酸杆菌科的Massilia分类群（图2，3f,g和补充数据集13)。在氮匮乏土壤中提供不同类型黄酮类化合物的C2-Idf突变体根际中细菌16SrRNA多样性的测序表明，黄酮类化合物重塑了根际微生物群落（图3h）。与其他类黄酮类型相比，C2-Idf突变体在添加芹菜素的土壤中，Massilia在属水平上呈现显著富集，Oxalobacteraceae在科水平上呈现显著富集（图3i和补充数据集14）。这些结果表明，植物来源的黄酮可能足以推动特定微生物类群的积累，从而影响氮匮乏土壤中的植物生长和氮营养状况。

7、黄酮条件下的根际微生物群足以恢复lrt1性能

侧根和根毛是根系的主要组成部分，负责沿根纵轴吸收水分和养分。我们假设侧根和根毛的形成可能会影响根部微生物群落的分化。在相同的氮匮乏土壤条件下，使用侧根和根毛形成缺陷的玉米突变体进行根表型实验。简而言之，侧根无根1(lrt1)和分生组织无法检测的无根突变体(rum1)是侧根缺陷型。突变体lrt1在主根和精根上不形成侧根，而rum1在主根上不形成侧根，而且没有精根。roothairless6(rth6)突变体在整个生长期间对所有根类型的根毛伸长率有特别影响。无根关注的冠和精根(rtcs)在所有精和芽生根的启动中是有缺陷的，而剩余的主根形成侧根和根毛。结果表明侧根形态缺陷限制，但不是在根毛发育中，限制了玉米芽中的生物量产生（图4a）。有趣的是，侧根突变体lrt1的枝条在氮匮乏土壤中比rum1获得更多的氮，尽管与根毛突变体相比，两个侧根突变体的生物量产生严重下降（图4b）。这一观察结果表明lrt1可能具有从氮匮乏土壤中获取氮的替代策略。与lrt1和rum1相比，rtcs突变体仅显示具有侧根的单个主根，但没有种子或芽生根，产生更多的芽生物量并在叶子中积累更多的氮（图4a，b）。这突出了侧根形成对4周龄植物从氮匮乏土壤中获取氮的贡献，而不管这些基因型中用于**的精根和冠根。我们对土壤进行了消毒，并比较了野生型、lrt1和rum1在有和没有微生物的情况下的芽生物量产量。土壤消毒显示lrt1中生物量产生的显著抑制，但在rum1中未观察到减少（图4c）。使用水培系统的黄酮分析实验表明，lrt1突变体比各自的野生型产生更多的黄酮芹菜素和木犀草素并将其释放到根际（图4d）。相比之下，在rum1突变体的提取物和渗出物中未检测到芹菜素和木犀草素（图4d）。为了研究黄酮条件下的根际微生物群是否能够影响玉米根的生长和发育，我们使用氮匮乏土壤对侧根缺陷突变体lrt1和rum1进行了根际移植实验（图4e）。有趣的是，与移植到lrt1种植土壤中的lrt1相比，在黄酮条件下（787或C2野生型种植）土壤中lrt1的生物量产生和氮积累得到了促进，但这种对植物性能的**是lrt1特定（图4e，f）。土壤消毒和根际移植结果突出了黄酮条件微生物群对侧根缺陷lrt1突变体植物的生长性能和氮吸收的关键作用。

8、草酸杆菌科分离株对侧根形成和植物生长的影响取决于LRT1

为了研究侧根和根毛形成中的遗传缺陷是否导致替代的根际微生物群，进行了16SrRNA基因扩增子测序，以沿着野生型B73（侧根缺陷突变体rum1）的三个发育区对根际微生物群进行分析。和lrt1以及氮匮乏土壤中的根毛缺陷突变体rth6（补充图16a）。还引入了突变体rtcs，以评估与同样缺乏精根的rum1相比，精根是否也影响微生物群。侧根缺陷突变体rum1和lrt1吸引了与rth6（170OTU）和rtcs（376OTU）不同的相似数量（~230OTU）的基因型特异性细菌分类群（补充图16b）。这些突变体的β多样性表明侧根缺陷突变体和根毛或精根缺陷突变体之间存在单独的聚类，这表明在侧根形成过程中，与根毛或精根缺陷相比，不同的微生物群被富集。根的形成（补充图16c）。考虑到根毛是根际形成的关键组成部分，与侧根形成相比，根毛形成是维持细菌多样性的重要因素也就不足为奇了（补充图16d）。有趣的是，与野生型B73相比，侧根突变体lrt1和rum1沿不同区域的根际细菌α多样性差异没有减少，但在根毛突变体rth6中有所减少（图5a）。这表明侧根是沿玉米冠根发育区维持根际细菌多样性空间格局的重要触发因素。对特定富集的细菌类群的仔细检查揭示了不同的突变体特异性微生物群变异（图5b），并且草酸杆菌科在lrt1突变体**别富集（图5b和补充图16e）。lrt1**的侧根被黄酮条件下（C2或787生长）的根际微生物群显著诱导（图5c）。lrt1中草酸杆菌科的特定富集与C2（图3h）和787（图2c）的发现一致，支持特定微生物分类群可能与lrt1中促进生长和氮吸收相关的重要功能相关的假设突变体。

为了评估草酸杆菌科分离株对生长促进的功能影响，我们将16株属于草杆菌科的Collimonas、Duganella、Herbaspirillum、Janthinobacterium、Massilia和Pseudoduganella，从不同土壤类型中分离到C2-Idf突变体生长的土壤中在氮匮乏土壤中（补充数据集15）。具体而言，C2和C2-Idf突变体的16S读数被映射到那些16草酸杆菌科分离株，证实C2植物的根际在草酸杆菌科中比其突变体C2-Idf显著更丰富（16株中的11株）（补充图17a））。属于Collimonas、Duganella、Massilia和Pseudoduganella的那些菌株中的九个显著促进了C2-Idf突变体的枝条生长（补充图17b）。额外的土壤接种实验证实，当在氮匮乏土壤中生长时，所有四种Massilia分离株都能够促进芽生长和氮积累，并诱导lrt1突变体的侧根形成（图5d和补充图18）。特别是，13种其他矿质营养素的量化表明这些分离物主要影响氮的积累和吸收（补充图19）。有趣的是，当在氮供应充足的氮匮乏土壤中生长时，Massilia分离株对植物生长、氮吸收和侧根诱导的促进作用在lrt1植物中减弱（补充图20）。这些结果表明，Massiliaisolates的这些功能可能取决于特定氮饥饿信号和LRT1依赖性侧根形成之间的串扰。

为了探索草酸杆菌科菌株是否与生长素相关化合物的产生有关，我们分析了在存在或不存在色氨酸的情况下不同草酸杆菌科分离株的吲哚化合物产生。结果表明，所有测试的草酸杆菌科分离株都不能产生吲哚类化合物，包括吲哚乙酸（IAA）、吲哚丙酮酸和吲哚乙酰胺（补充图21）。我们研究了用草酸杆菌科分离株接种的拟南芥DR5::GUS生长素报告植物，并没有观察到对根中生长素信号传导诱导的任何影响（补充图22）。这些结果表明，草酸杆菌科分离株对生物量和侧根形成的生长促进是一种特定的、由LRT1介导的发育过程，与玉米中细菌和植物来源的生长素生产无关。我们的多因素实验设计表明，在缺氮条件下，玉米通过特定黄酮的渗出影响其微生物群，这反过来又通过调节不同的细菌分类群来影响宿主的侧根发育，提高生长性能。

讨论

了解植物根系的生长和发育及其对特定环境挑战的适应是可持续农业中养分投入管理的必要条件。根与其根际微生物群之间的相互作用对于植物生长和性能至关重要。众所周知，根转录组的动态模式与定植不同根类型的不同微生物类群同步。微生物调节植物发育的许多场景和机制仍然未知，特别是在作物中。我们对玉米的大规模田间研究表明，代表不同发育阶段的不同纵根区富集了不同的根际微生物群落，这些微生物群落与根分化过程中的特定转录组特征相关（图1）。根转录组和根际微生物群落的同步反映在根发育区具有不同组成的动态根系分泌物谱上。我们的数据表明，根区的发育状态或功能对其根际微生物群落的建立有相当大的影响。事实上，不同发育的根区之间营养物质向地上部的运输速率不同，而反过来，局部土壤因子强烈影响根毛和侧根的形成，以增加从土壤中吸收营养物质。基于氮对根系结构的强烈影响，沿玉米亲本根的侧根增殖也可能有利于氮在氮匮乏土壤中被吸收。这表明特定根区与根际的因果相互作用导致根及其微生物群在发育过程中的共适应。有趣的是，根际微生物群落中的细菌多样性沿着根的发育区显著降低，如具有缺陷侧根发育的单基因玉米突变体rum1和lrt1所示（图5和补充图16）。这表明侧根本身或其渗出曲线可能是根际微生物群落组成的功能决定因素。

植物可以通过根部以渗出物的形式释放多达20-40%的光同化物衍生碳。这对于塑造根际微生物群至关重要。最近的研究结果表明，植物来源的香豆素有助于在拟南芥中在缺铁情况下重塑特定的微生物群落成。已证明苯并噁唑嗪酮类化合物等特定代谢物可赋予玉米中微生物群落的根类型特异性变化。宿主根的特定代谢物组成可以显著影响根际微生物群的建立和特定分类群的富集。在本研究中，基于相关性的网络分析将黄酮合酶编码基因FNSI2鉴定为枢纽基因，该基因与特定细菌分类群具有很强的关联（图2和补充数据集11）。根提取物和渗出液中的靶向代谢物分析，以及根际渗出液的14C标记表明，黄酮生物合成和随后的分泌可能触发宿主根和根际微生物之间的功能相互作用，从而改善植物性能（图2和补充图12）。我们对查尔酮合酶编码基因C2**定突变的研究，以及包括自交系和突变体在内的根际移植实验，表明黄酮生物合成可能参与了玉米根际草酸杆菌科的主要富集（图2和3）。这些实验支持宿主基因型通过根源黄酮显著影响根际微生物群的群落结构的观点。在这种情况下，分泌的黄酮**了玉米根际中细菌类群草酸杆菌科的富集，从而促进了氮匮乏土壤中的生长和氮的获取。这些发现还表明，根际微生物群的植物基因型特异性定制是由土壤传播微生物通过包括根系分泌物在内的分子机制进行的选择和共适应驱动的。

从土壤中通过根际到根部的草酸杆菌科相对丰度逐渐增加，这表明其与拟南芥、大麦和玉米中寄主植物的性能有潜在关联。根提取物和渗出物的代谢产物分析的整合，以及对侧根形成有缺陷的玉米突变体lrt1和rum1的根际微生物群落分析，证明了草酸杆菌科在玉米生长和氮积累中的因果作用（图4和5）.一系列接种实验证实，属于马西利亚属的独立的土壤来源的草酸杆菌科分离株对lrt1突变体具有一致的生长促进和氮吸收作用（图5）。类黄酮生物合成基因在具有出芽根毛和侧根的分化根区中显著富集。事实上，与生长中的根尖相比，Massilia优先定植于根的成熟部分。这突出表明，类黄酮生物合成相关基因可能代表影响根发育同时与根际微生物相互作用的重要参与者。已经证明，促进生长的根际细菌不仅能够调节初生根的发育，还能够调节侧根的形成。生长素的产生和信号传导是细菌调节拟南芥植物根发育的明确机制。值得注意的是，富含黄酮的根际微生物群和草酸杆菌科菌株都可以挽救突变体lrt1中侧根的生长和形成，但不能挽救玉米的生长素信号缺陷突变体rum1（图4和5）。草酸杆菌科菌株在体内不产生吲哚化合物，如IAA、吲哚丙酮酸和吲哚乙酰胺，或在拟南芥中使用DR5::GUS报告系显示根生长素诱导作用（补充图21和22）。这些结果表明，在lrt1中，一种特定的微生物介导的途径改变了侧根发育过程中增殖和分化之间的平衡，这很可能与玉米中细菌和植物来源的生长素相关过程无关（图6）。最近的研究强调，共享的分子网络可能是通过根瘤菌介导的结瘤和侧根发育之间的相互作用而进化的。这些发现表明，指导植物发育过程的LRT1介导的分子成分也在氮剥夺下协调宿主根与微生物的接触。需要指出的是，我们仅对一对基因型（787和LH93）进行了代谢物分析和根际移植，这并不代表所有玉米基因型。需要进一步的研究来调查是否在其他玉米基因型中也观察到来自草酸杆菌科的生长促进和氮吸收的影响。尽管如此，我们随后使用独立的类黄酮生物合成突变体C2-Idf以及根缺陷突变体lrt1进行的遗传研究提供了一致的结果。我们将研究植物根际微生物群如何赋予发育可塑性的进化保守性。未来的研究需要解开由宿主衍生的代谢物介导的细菌-细菌相互作用的复杂性，以及这将如何影响营养缺乏下根系的结构和功能。

我们的数据表明，玉米根中受发育控制的生物活性对于与根际微生物群的有益相互作用至关重要。在缺氮条件下，玉米在根际富集了草酸杆菌科的细菌，这反过来又通过调节侧根发育促进了氮的捕获。全面了解根际微生物群、宿主基因调控和根系发育控制的遗传变异之间的因果关系，可以为在可持续农业中确保高作物产量的新方法铺平道路。根据我们的结果，将编码有益黄酮的等位基因重新引入优良玉米品系可能会改善根系与其促进生长的根际生物群之间的有利相互作用。将有益的植物-微生物相互作用最大化作为选择目标是培育高产和营养高效作物的有前景的策略。

文：苏衍

排版：市场部

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