水稻SST基因通过土壤代谢物调控根际微生物协同耐盐机制

Rice SST variation shapes the rhizosphere bacterial community, conferring tolerance to salt stress through regulating soil metabolites

mSystems 【Impact Factor 6.519】

DOI：https://doi.org/10.1128/mSystems.00721-20

文章链接：https://msystems.asm.org/content/5/6/e00721-20

发表日期：2020-11-24

第一作者：Lian Tengxiang(连腾祥, liantx@scau.edu.cn)^a, Huang Yingyong(黄英勇)^a

通讯作者：Jin Jing(金晶, jingjin@scau.edu.cn)^a, Lan Tao(tlan@fafu.edu.cn)^b,c,d

合作作者：谢贤安, 霍兴, Muhammad Qasim Shahid, 田蕾

主要单位：

^a华南农业大学农学院(Guangdong Provincial Key Laboratory of Plant Molecular Breeding, College of Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou, China)

^b,c,d福建农林大学(Key Laboratory of Ministry of Education for Genetics, Breeding and Multiple Utilization of Crops; Key Laboratory of Applied Genetics of Universities in Fujian Province;Fujian Provincial Key Laboratory of Crop Breeding by Design,Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian, China)

分享标题：mSystems：华南农大揭示水稻SST基因调控根际微生物协同耐盐机制

关键字：水稻，SST变异，根际细菌群落，土壤代谢产物，耐盐

摘要

植物的部分特异抗性基因能够通过调控根系分泌物进而影响根际微生物的组装。我们前期研究发现了SST基因与水稻耐盐相关，SST基因功能的缺失增加了植物的盐胁迫适应性。然而SST基因的突变是否能够通过调控土壤代谢物和根际微生物群落协同缓解盐胁迫尚不清楚。基于此，我们采用CRISPR/Cas9技术获得了两对转基因水稻材料黄华占(HHZ，HHZcas)，中花11号(ZH11，ZH11cas)，并对R401辐射诱变制备耐盐突变体(sst)。将三对材料进行盐胁迫后发现，SST基因功能缺失增加了水稻中钾离子积累而减少了钠离子积累。采用16S rRNA基因扩增子测序发现，在无盐胁迫下只有突变体材料改变了根际细菌群落结构。而在盐胁迫下，SST基因的缺失(sst，HHZcas和ZH11cas)显著地改变了根际细菌的群落结构。此外，水稻SST基因还显著影响了与根际微生物群落密切相关的土壤代谢产物，我们进一步确定了根际微生物组与土壤代谢产物之间的关系。总体而言，这项研究揭示了水稻SST基因、土壤代谢产物和根际微生物群落之间的联系，也为通过管理土壤微生物改善作物适应性提供了理论基础。

引言

土壤盐渍化已经成为农业生态系统的严重威胁。全球约15%-50%的灌溉区遭受盐碱化。土壤盐渍化对植物生长和适应能力的不利影响严重制约了作物生产力。作为世界上最重要的粮食作物之一，水稻对盐胁迫是非常敏感的。在过去的几十年中，研究人员试图通过培育耐盐品种、转基因技术和有益微生物的应用来提高水稻的耐盐性。大量研究表明，转基因水稻可以提高作物吸收养分的效率和增强抵御外源胁迫的能力，与此同时，这些特异性的基因也可以调控根系分泌物的释放进而影响根际微生物。反之，根际微生物也可以通过代谢产物影响宿主的激素分泌和特异性基因的表达来诱导植物系统性耐受性。

本研究通过CRISPR/Cas9基因编辑技术，以黄华占(HHZ)和中花11(ZH11)为受体材料，获得了SST基因功能缺失的转基因植株(HHZcas和ZH11cas)。将ZH11和ZH11cas、HHZ和HHZcas以及突变体(sst)和野生型(WT)三对材料分别种在盐胁迫和无盐胁迫的对照土壤中进行培养，通过16S rRNA扩增子高通量测序检测根际细菌群落，利用LC-MS检测了不同处理中的土壤代谢产物。

结果

SST功能的缺失缓解了盐胁迫，促进了水稻的生长

在无盐胁迫下，所有的水稻幼苗无显著差异(图.1A-C)。盐处理7天后，sst、HHZcas和ZH11cas没有明显的表型差异。而WT、HHZ和ZH11株叶尖略有发黄和发育不良。盐处理20天后，sst、HHZcas和ZH11cas对盐胁迫的耐受性远高于相应的野生型。WT、HHZ和ZH11幼苗在盐处理20天时几乎死亡，但sst、HHZcas和ZH11cas幼苗仍然存活(图.1D-F)。在盐胁迫下，携带SST基因的植株(HHZ、ZH11和WT)的K⁺含量低于不携带SST基因的植株(HHZcas、ZH11cas和SST)，Na⁺含量则呈现相反的趋势(图.1G-H)。这些结果表明SST基因可能通过减少盐离子的吸收来减轻盐胁迫引起的损伤。

图1. 不同处理下水稻的表型及其钾和钠离子浓度分析

WT、突变体(sst)、HHZ、HHZcas、ZH11和ZH11cas在无盐胁迫(A-C)和150 mm NaCl盐处理(D-F)20天后的表型。

尺寸条 = 50 mm。图像的底部为相应的局部放大图像。对照处理是纯水。

(G) HHZ，HHZcas，ZH11，ZH11cas，WT和sst处理的植物之间的K⁺浓度。

(H) HHZ，HHZcas，ZH11，ZH11cas，WT和sst处理的植物之间的Na⁺浓度。

单因素方差分析, n = 3, P < 0.05.

盐胁迫对不同基因型水稻根际细菌群落多样性的影响

无盐胁迫土壤的Shannon指数显著高于盐胁迫土壤，而盐处理下ZH11cas和sst根际细菌的Shannon指数显著低于ZH11和WT基因型(单因素方差分析；n = 6; p < 0.05）(图2A)。盐胁迫下的土壤细菌群落结构与非盐胁迫下的土壤细菌群落结构存在显著差异(图2B)，说明盐胁迫对水稻根际微生物组群落结构有显著影响。盐条件下sst(Na-sst)和WT(Na-WT)、HHZ(Na-HHZ)和HHZcas(Na-HHZcas)、ZH11(Na-ZH11)和ZH11cas(Na-ZH11cas)微生物结构差异显著(PERMANOVA; n = 6; P < 0.05)(表1，图2B-D）。

图2. 不同处理条件下的细菌群落多样性分析

(A) NaCl和sst基因对水稻根际土壤细菌香农多样性指数的影响(单因素方差分析, n = 6, P < 0.05)。

(B) 基于Bray-Curtis距离相似性的主坐标分析(PCoA)显示了对照和150 mM NaCl盐条件下根际细菌群落结构的差异(PERMANOVA, n = 6, P < 0.05)。

(C) 基于NaCl条件下样品的细菌群落组成的典范对应分析(CCA)(Mantel test, n = 6, P < 0.05)。

(D) 细菌门的相对丰度。

根际细菌组成对盐胁迫的响应

在盐胁迫条件下，ZH11和ZH11cas、HHZ和HHZcas、WT和sst有显著差异的OTUs分别为58个、27个和54个(DESeq2; n = 6; p < 0.05)。其中20个OTUs在至少两对植物材料的土壤中共存。分别与ZH11，HHZ和WT基因型相比，HHZcas，ZH11cas和sst基因型中OTU1(Dyella)、OTU17 (Unclassified-Saccharimonadales)、OTU19(Unclassified-Rhodobacteraceae)、OTU9(Unclassified-Burkholderiaceae)、OTU81(Rhizobium)，OTU42 (Thiomonas)、OTU30(Unclassified-Actinobacteria)和OTU95(Unclassified-Saccharimonadaceae)都显著增加(图3)。

图3. 盐胁迫下的根际细菌组成分析

(A)Na-HHZ和Na-HHZcas，Na-ZH11和Na-ZH11cas与Na-WT和Nassst植物之间的相对丰度显著不同OTUs的Venn分析。

(B to D)盐胁迫下，SST功能缺失的材料中共同增加OTU的相对丰度，不同的背景颜色对应于韦恩图中的不同部分(B-D)(DESeq2, n = 6, P < 0.05)。

盐胁迫下土壤代谢产物

利用LC-MS检测了盐胁迫下HHZ和HHZcas基因型的土壤代谢产物，探讨SST基因改变水稻根际微生物群落的潜在机制。正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)表明，在盐胁迫下HHZ和HHZcas得到了清晰的分离(图4)。通过组合和过滤分析，我们得到了两种水稻材料间135个差异表达的土壤代谢物(VIP > 1.0, p < 0.05)。其中，盐胁迫下上调31个，下调105个。KEGG通路富集分析发现差异表达的次生代谢产物主要类别包括糖酵解/糖异生、嘌呤代谢、乙醛酸和二羧酸、叶酸生物合成、氨基酸生物合成、咖啡因代谢和硒化合物代谢(图5)。与HHZ相比，水杨苷、熊果苷6-磷酸、磷酸乙醇酸、5-O-3-phosphoshikimate等物质在HHZcas中表达上调(图5)。

图 4 盐胁迫下，土壤代谢物的偏最小二乘法判别分析

正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)(n = 6，P <0.05)显示了在150 mM NaCl条件下HHZ和HHZcas植物之间土壤代谢产物的差异。

图5. 关键差异代谢物的代谢途径

筛选涉及关键差异表达代谢物的代谢通路图。每种代谢物的log₂倍数变化(HHZ与HHZcas)以热图的形式显示，从色阶中的低(蓝色)到高(红色)。方框表示用150μmM NaCl处理过的HHZcas植物。

微生物群落与土壤代谢产物的相关性

根际微生物和代谢物相关分析(图6)表明，OTU1157(Bacteroides)、OTU231 (Sytrophorhabdus)、OTU292(Anaerovarax)与景天庚酮糖呈正相关，与7-磷酸、乙醛酸、溴苯、熊果苷6-磷酸，水杨苷呈负相关，而其他OTU例如OTU1(Dyella)和OTU81(Rhizobium)显示相反的趋势(.6)。此外我们发现OTU1(Dyella)、OTU19(Unclassified-Rhodobacteraceae)和OUT81(Rhizobium)的相对丰度与L-硒代半胱氨酸呈显著负相关,OTU19(Unclassified-Rhodobacteraceae)也与Angelicin和Isopentenyl phosphate显著相关(P < 0.05)(图6)。

图6. 盐胁迫条件下HHZ和HHZcas根际微生物与土壤代谢产物的相关性分析

盐胁迫条件下HHZ和HHZcas植物间具有显著差异的微生物和土壤代谢产物间的相关性分析。红框表示正相关，蓝框表示负相关(Pearson’s correlation, n = 6, P < 0.05)。白色星号表示有统计学意义:，P < 0.05; *,P < 0.01。

讨论

本研究重点探讨了耐盐性相关基因SST如何调控根际微生物和土壤代谢产物(图7)。SST基因的突变增加了水稻中硝态氮的积累，减少了钠离子和氯离子的积累，这不仅可以缓解水稻的盐胁迫，还可以改变根际环境，进而影响根际微生物群落。SST基因功能缺失可以影响根际微生物组结构和土壤代谢产物的组成。在含有SST基因的水稻根际中，OTU1(Dyella)、OTU81(Rhizobium)和OTU42(Thiomonas)等微生物物种富集。此外，一些土壤代谢物如硒半胱氨酸与根际微生物群落的变化显著相关。然而这些富集的微生物物种在多大程度上影响水稻抗盐胁迫尚不清楚，这将是我们未来工作的主题。我们还应考虑更多的土壤类型，以探索SST基因调控水稻根际细菌的普遍机制。总的来说，该研究不仅为揭示宿主关键基因在调控根际微生物群落组装中的关键作用提供了范例，也为通过管理土壤微生物改善作物在盐碱土壤中的适应性提供了新的理论依据。

图7. SST基因通过调节土壤代谢产物塑造了根际细菌群落示意图

SST基因如何通过调节土壤代谢产物，赋予水稻对盐胁迫的耐受性，从而塑造根际细菌群落的示意图。

致谢

感谢刘向东教授(华南农业大学)和金剑研究员(中国科学院东北地理与农业生态研究所)对该论文的宝贵建议。本研究得到国家自然科学基金(批准号31801325)、广东省自然科学基金(批准号2020A1515011363)的资助。

通讯作者简介

金晶，博士，首聘副教授，2016年毕业于中国农业大学，现就职于华南农业大学农学院植物育种系，主要从事野生稻优异基因的挖掘与利用，植物-微生物互作等方面的研究。目前以第一作者或通讯作者在The Plant Cell、mSystems等国际权威期刊发表SCI论文。现为中国作物学会、美国微生物协会会员，Molecular Breeding杂志审稿人。

共同通讯作者简介

兰涛，博士，教授。福建农林大学农学院副院长，作物应用遗传学福建省高校重点实验室副主任。中国遗传学会会员，福建省遗传学会秘书长。国家自然科学基金委员会“农学基础与作物学科”通讯评审专家。主要研究方向为水稻非生物逆境生物学。

第一作者简介

连腾祥，博士，副教授，2016年毕业于中科院东北地理与农业生态研究所，现就职于华南农业大学国家大豆改良中心广东分中心，主要从事作物土壤微生物互作、大豆根瘤菌与植物及环境互作机制等研究。目前以第一作者或通讯作者在mSystems、Soil Biology and Biochemistry、Biology and Fertility of Soil、Plant and Soil、Frontiers in Microbiology、Applied Soil Ecology等国际权威期刊发12篇SCI论文。现为Plant and Soil、European Journal of Soil Biology、Frontiers in Microbiology、BMC Microbiology等杂志审稿人。

撰文：连腾祥

责编：马腾飞

审核：刘永鑫

Reference

Tengxiang Lian,Yingyong Huang,Xianan Xie,Xing Huo,Muhammad Qasim Shahid,Lei Tian,Tao Lan,Jing Jin.Rice SST Variation Shapes the Rhizosphere Bacterial Community, Conferring Tolerance to Salt Stress through Regulating Soil Metabolites. mSystems 5:e00721-20, doi:https://doi.org/10.1128/mSystems.00721-20 (2020).

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