Long-term effect of epigenetic modification in plant–microbe interactions: modification of DNA methylation induced by plant growth-promoting bacteria mediates promotion process | Microbiome | Full Text (biomedcentral.com)

摘要

背景

土壤微生物组被认为是下一次绿色革命的基石，植物生长促进细菌（PGPB）对微生物组工程至关重要。然而，将植物有益微生物从发现到农业应用仍然具有挑战性，因为有益菌株与原生土壤中植物之间相互作用的机制在很大程度上仍然未知。越来越多的研究表明，为操纵微生物群而引入的菌株通常在土壤中被消除，而其他研究报告称，PGPB作为接种物的应用显著改善了植物生长。这一矛盾表明需要对微生物诱导的生长促进机制进行更深入的理解。

结果

我们展示了在土壤中消除PGPB接种物后，PGPB诱导的长期植物生长促进，并探索了外源接种物、本地微生物组和植物之间的三方相互作用，这是植物生长促进过程的关键元素。我们发现，根际微生物组的组装主要由植物发育驱动，根的募集大大减弱了接种物对根际微生物的影响。根际微生物组的变化和接种物在根中的定植都不是促进植物生长所必需的。在根中，响应于接种的DNA甲基化修饰影响与PGPB诱导的生长促进相关的基因表达，而接种诱导的DNA甲基模式的破坏极大地削弱了植物的生长促进。总之，我们的结果表明，PGPB诱导的根中DNA甲基化修饰介导了促进过程，并且这些修饰在从微生物组中消除接种物后仍保持功能。

结论

这项研究提出了PGPB影响根中DNA甲基化以促进植物生长的新机制，这为微生物组与植物的相互作用提供了重要见解，并为植物微生物组工程提供了新策略，超越了保持土壤中接种物持久性的观点。

图形摘要

图1 根诱导的根际微生物组的分类变异。A、 B 基于根际微生物组的OTU中菌株PGP41（A）和PGP5（B）的相对丰度与菌株的16s rRNA基因序列100%匹配（GenBank登录号分别为MG839712和MH087460）。C–E α-多样性指数的变化，包括Chao1（C）、Shannon（D）和Simpson（E）指数。F Bray–Curtis最后采集的样品（30天）和每个时间点（0–21天）的微生物组之间的距离随着植物的生长和发育而减少。星号表示显著差异（Duncan检验，P<0.05）。G PCoA显示了微生物组随植物生长和发育的变化。H 样本之间的成对相关性显示接种和对照微生物组的变化趋势相似，移植15天后根际微生物组变得稳定。负相关性和正相关性分别以绿色和红色显示。圆圈大小和颜色强度代表相关系数。I 通过随机森林回归确定的细菌生物标志物在CK中的相对丰度与植物停留时间。J 基于CK和接种（PGP5和PGP41）土壤中生物标记物的相对丰度的热图，显示了不同土壤中植物停留时间的相似变化趋势。

图S14 接种物在灭菌土壤和未灭菌土壤中促进美洲商陆生长的比较。（A，B）在第3（A）天和第30（B）天不同处理下美洲商陆的地上部分。CK，用未灭菌土壤处理的未接种植物；用灭菌土壤处理的未接种植物；用灭菌土壤处理的Ste-PGP5、PGP5接种植物；Ste-PGP41、PGP41接种的植物用灭菌土壤处理。（C，D）第3天（C，n=3）和第30天（D，n=2）美洲商陆的茎叶和根的重量和长度。不同的字母表示显著差异（邓肯检验，P<0.05）。为了测试接种处理时的苗龄对接种物诱导的生长促进的影响，使用了一个月大的幼苗（即比其他实验中使用的幼苗小一个月）。结果表明，在无菌土壤中，接种诱导了美洲商陆的生长，并且初始接种的苗龄是灵活的。

图S15 DNA甲基化抑制剂破坏了接种诱导的美洲商陆在无菌土壤中的生长促进。A-B，在灭菌土壤中第3（A）天和第30（B）天不同处理下的美洲商陆的地上部分。用DNA甲基化抑制剂zebularine（Zeb）处理这些植物，以研究DNA甲基化在促进生长过程中的作用。Zeb，Zeb处理过的样品；非Zeb，未经Zeb处理的样品。C-D，第3天（C，n=8）和第30天（D，n=9），接种诱导的美洲商陆在灭菌土壤中促进生长的比较，有和没有Zeb处理。显示了芽和根的重量和长度。不同字母表示显著差异（Duncan检验，P<0.05）。