根際是植物根系周圍和受其影響的狹窄區(qū)域，含有大量對(duì)植物生長(zhǎng)和健康具有有害或有益影響的微生物，其中有益根際微生物包含促進(jìn)植物生長(zhǎng)的根際細(xì)菌(PGPR)。PGPR可以增強(qiáng)植物對(duì)病原體和昆蟲食草動(dòng)物的防御能力，同時(shí)促進(jìn)植物生長(zhǎng)。了解植物代謝網(wǎng)絡(luò)及其相互作用對(duì)理解和優(yōu)化根際細(xì)菌介導(dǎo)的生長(zhǎng)促進(jìn)和誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性至關(guān)重要。盡管一些報(bào)道表明，根際細(xì)菌改變了特定種類的植物代謝物，但它們對(duì)植物整體代謝組的總體影響，特別是對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)過程中發(fā)生的核心代謝途徑的影響，目前尚不清楚。

2022年6月，荷蘭瓦赫寧根生態(tài)研究所團(tuán)隊(duì)在Plant Cell Environ上發(fā)表了題為“Metabolic signatures of rhizobacteriainduced plant growth promotion”的文章。該文主要使用植物代謝組學(xué)技術(shù)研究了不同根際細(xì)菌屬的三個(gè)菌株對(duì)三種植物的表型和幼苗代謝組的影響，確定了促進(jìn)生長(zhǎng)的根際細(xì)菌靶向的核心代謝途徑，并為利用根際細(xì)菌將植物代謝向有價(jià)值的天然植物產(chǎn)物的生物合成傾斜提供了新的途徑。

研究材料

幼苗

技術(shù)路線

步驟1：根際細(xì)菌誘導(dǎo)的植物表型變化研究；

步驟2：促進(jìn)生長(zhǎng)與根系定殖的關(guān)系研究；

步驟3：幼苗代謝組研究；

步驟4：蕓苔科植物有效和無效伙伴關(guān)系中的代謝物特征；

步驟5：類黃酮途徑在植物生長(zhǎng)促進(jìn)中的重要性研究。

研究結(jié)果

1.根際細(xì)菌誘導(dǎo)的植物表型變化研究

作者選擇了三種植物包括擬南芥（模式植物）、西藍(lán)花（作物）和青蒿（藥用植物），分別在根尖處接種不同根際細(xì)菌屬的三個(gè)菌株P(guān)araburkholderia graminis PHS1(Pbg)、Microbacterium EC8(MB)、Pseudomonas fluorescens SS101(Pf SS101)，這些根際細(xì)菌在不同植物中均表現(xiàn)出促進(jìn)生長(zhǎng)和保護(hù)病原菌的作用，然后評(píng)估三種特定根際細(xì)菌屬菌株誘導(dǎo)的植株生長(zhǎng)的變化。文中將根際細(xì)菌與植物相互作用分為“有效伙伴關(guān)系”（根際細(xì)菌促進(jìn)植物生長(zhǎng)）和“無效的伙伴關(guān)系”（根際細(xì)菌不會(huì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)或減少生長(zhǎng)）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)根際細(xì)菌對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)作用具有種屬特異性。如與未經(jīng)處理的對(duì)照組相比，Pbg-青蒿的生物量增加了近五倍，被認(rèn)為是最有效的伙伴關(guān)系。根尖接種P.fluorescens strain PfSS101后可顯著增加擬南芥和青蒿的幼苗生物量（分別為63.1%±4.7和38.7%±6.3），根尖接種PfSS101可顯著降低西蘭花幼苗生物量(-22%±2.6)。接種MB只會(huì)顯著增加擬南芥的幼苗生物量，對(duì)青蒿和西蘭花幼苗和根系生物量均無顯著影響（圖1）。

2.促進(jìn)生長(zhǎng)與根系定殖的關(guān)系研究

在上述分析中，根系定植是在植物生長(zhǎng)到11天時(shí)進(jìn)行的。對(duì)于擬南芥、西蘭花和青蒿，Pf SS101和Pbg建立的根上的群體密度差別較小。而MB的定殖在不同植物種類間差異較大，如在擬南芥根上的種群密度為7.5±0.5*106 CFU mg-1，而在青蒿根上的種群密度低于檢出限。通過根際種群密度與特定植物表型（即生物量）之間的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)引入的根際細(xì)菌菌株的根際種群密度和幼苗/根系生物量之間沒有明顯的總體相關(guān)性。如在西藍(lán)花中，所有三種根際細(xì)菌菌株的根定殖水平相似，但植物表型差異很大：Pbg誘導(dǎo)幼苗生物量顯著增加，而Pf SS101誘導(dǎo)幼苗生物量顯著減少，MB對(duì)幼苗生物量則沒有顯著影響。

3.幼苗代謝組研究

采用液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)聯(lián)用的分析方法，研究了3個(gè)根際細(xì)菌菌株對(duì)擬南芥、青蒿和西蘭花中幼苗代謝組的影響，分別檢測(cè)到725、868、1908個(gè)代謝物，且在每種植物中分別至少有64%、52%、49%占比的代謝物在兩種根際菌處理之間存在顯著差異。其中接種Pbg對(duì)青蒿和擬南芥的幼苗代謝組的影響最大，分別代表了最有效和最無效的伙伴關(guān)系。此外，大部分差異代謝物是接種Pbg的植物所特有的。在西蘭花中，與PfSS101的無效伙伴關(guān)系占代謝產(chǎn)物上調(diào)的比例最大，而與Pbg的有效伙伴關(guān)系占代謝產(chǎn)物下調(diào)的比例最大（圖2）。

4.蕓苔科植物有效和無效伙伴關(guān)系中的代謝物特征

由于擬南芥和西蘭花都屬于蕓苔科植物，因此對(duì)不同根際細(xì)菌在擬南芥和西蘭花幼苗中引起的代謝組變化進(jìn)行了比較分析。硫代葡萄糖苷（GLS）是根際細(xì)菌處理后發(fā)生變化的代謝產(chǎn)物之一。GLS在有效和無效伙伴關(guān)系中的累積模式不一致，如在擬南芥中，與Pf SS101的有效伙伴關(guān)系提高了脂肪族長(zhǎng)鏈GLS的相對(duì)水平，然而，Pf SS101和西蘭花之間的無效伙伴關(guān)系的特征是吲哚GLS和短鏈脂肪族GLS水平的增加。

另一方面，在不同的植物-根際細(xì)菌組合中，苯丙素途徑的某一分支的改變顯示出與生長(zhǎng)促進(jìn)(有效伙伴關(guān)系)或缺乏生長(zhǎng)促進(jìn)/抑制生長(zhǎng)(無效伙伴關(guān)系)共存。如在擬南芥-Pbg和西蘭花-PfSS101之間的無效伙伴關(guān)系中，類黃酮的積累明顯增加，而在擬南芥-PfSS101之間的有效伙伴關(guān)系中，類黃酮的豐度沒有顯著變化（圖3）。

5.類黃酮途徑在植物生長(zhǎng)促進(jìn)中的重要性研究

作者進(jìn)一步研究了Pbg對(duì)12個(gè)等基因純合子擬南芥透明種皮(tt)突變體生長(zhǎng)的影響，這些突變體在類黃酮途徑不同分支的生物合成中的基因被破壞。在沒有Pbg的情況下，觀察到在類黃酮途徑的初始步驟被破壞的突變體顯示出與WT Col 0相似的幼苗生物量，并且比許多在該途徑的下游步驟被破壞的突變體表現(xiàn)出更高的幼苗生物量。接種Pbg導(dǎo)致12個(gè)突變體之間的幼苗新鮮生物量發(fā)生顯著變化，且Pbg在這些突變?cè)囼?yàn)中確實(shí)對(duì)Col 0的生長(zhǎng)有輕微的促進(jìn)作用。在所有的分析中，Pbg處理的植物表現(xiàn)出明顯的脅迫跡象，例如葉片中花青素含量的升高。有趣的是，Pbg對(duì)類黃酮途徑下游部分的突變體具有較強(qiáng)的促生長(zhǎng)作用，尤其是對(duì)PA分支的突變體，表明PA分支在Pbg介導(dǎo)的生長(zhǎng)促進(jìn)中起著關(guān)鍵作用（圖4）。

圖4類黃酮在根際細(xì)菌介導(dǎo)的生長(zhǎng)促進(jìn)中的作用

小結(jié)

綜上所述，文章使用了三種植物和三種根際細(xì)菌的組合，并對(duì)幼苗樣本進(jìn)行了植物代謝組學(xué)的分析，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的大部分代謝物（50%–64%）受到根際細(xì)菌的不同影響，且苯丙素途徑是三種植物物種中根際細(xì)菌的靶向途徑。苯丙素類途徑不同分支的差異調(diào)節(jié)顯示與植物生長(zhǎng)促進(jìn)或生長(zhǎng)減少相關(guān)，如類黃酮生物合成的抑制與生長(zhǎng)促進(jìn)有關(guān)。