原文链接： A single bacterial genus maintains root growth in a complex microbiome | Nature

摘要

植物生长在一个复杂的物种网络中，这些物种相互作用，也与植物相互作用。这些相互作用由广泛的化学信号控制，由此产生的根际化学景观会强烈影响根的健康和发育。在这里，为了了解微生物之间的相互作用如何影响拟南芥的根系生长，我们建立了一个植物、微生物和环境之间相互作用的模型系统。我们用185个成员的细菌合成群落接种幼苗，操纵非生物环境，并测量植物的细菌定殖。这使我们能够将合成群落分为四个共存菌株模块。我们在这些模块的基础上解构了合成群落，并确定了决定根系表型的微生物之间的相互作用。这些相互作用主要涉及一个细菌属（Variovorax），它完全逆转了由广泛多样的菌株以及整个185个成员群落诱导的对根系生长的严重抑制。我们证明，Variovorax操纵植物激素水平，以平衡我们生态现实的合成根系群落对根系生长的影响。我们鉴定了一种生长素降解操纵子，该操纵子在Variovorax的所有可用基因组中都是保守的，对于逆转根系生长抑制是必要和充分的。因此，代谢信号干扰形成了细菌-植物的通信网络，对于维持根系的定型发育程序至关重要。优化形成根际化学相互作用网络的反馈为开发更具弹性和生产力的作物提供了一种有前景的生态策略。

图1 拟南芥根的长度由群落内细菌-细菌的相互作用决定。

a、 跨非生物梯度的合成群落的组分富集模式。每一行代表一个唯一的序列。共现菌株的四个模块（A、B、C和D）被表示出来。树状图顶端根据分类学着色。热图由拟合的广义线性模型导出的log2变换的折叠变化着色，并表示与基质相比植物组织（根或地上部）的富集度。与错误发现率（FDR）的比较-校正后的q值<0.05用黑色绘制。热图下方列出了每个模块中富集的科。2个独立实验中的6个生物重复。Pi，无机磷酸盐；Temp，温度。

b、 在无菌（无细菌，NB）、合成群落（ABCD）或其亚群中生长的幼苗的主根伸长：单独的模块A、B、C和D（单个模块），以及模块的所有成对组合（模块对）。通过方差分析（ANOVA）确定显著性；字母对应于Tukey事后测试。在2个独立实验中进行n=75、89、68、94、87、77、76、96、82、84、89和77（从左到右）生物复制。

c、 接种模块A、C和D以及模块组合A–C和A–D的代表性幼苗的二值化图像 

d、 用来自每个模块（A–D列）的四个代表性RGI诱导菌株与来自模块A（行）的分离株联合或单独（自身）接种的幼苗的平均主根伸长绘制的热图。通过方差分析确定显著性。

e、 用Arthrobacter CL28和Variovorax CL14单独或联合接种的幼苗在两种基质上的主根伸长。显著性通过方差分析确定，字母是Tukey事后检验的结果。在2个独立实验中进行n=64、64、63、17、36和33（从左到右）生物复制。在所有方框图中，中心线表示中位数，方框边缘显示第25和第75个百分位数，胡须延伸到1.5×四分位数间距（IQR）。

图2 Variovorax保持立体的根部发育。

a，185个细菌分离物的系统发育树。同心环代表每个合成群落处理的分离物组成。NB，未接种（无细菌）；full，全合成群落；-Burk，无Burkholderia；-Vario，无Variovorax；-Vario，-Burk，无Burkholderia和Variovorax。

b, 接种或不接种全合成群落或无Variovorax合成群落的代表性苗木的二值化图像。

c, 在无菌（NB）或接种了a中概述的不同合成群落中生长的幼苗的主根伸长。 显著性通过方差分析确定，字母对应于Tukey事后检验。

d，在不同的基质上，用全合成群落或无Variovorax合成群落接种的幼苗的主根伸长率： Johnson培养基（JM）琼脂、Murashige和Skoog（MS）琼脂、灭菌粘土或盆栽土壤。跨越2个独立实验的n = 36、47、21、24、43、48、33和36（从左到右）生物重复。

e，用全合成群落的四个子集（模块A、C、D或以前描述的去掉单一Variovorax菌株的35个成员的合成群落（34个成员）1）、有（+Vario）或无（-Vario）Variovorax分离物接种的幼苗的初级根伸长率。

f，在不同的非生物胁迫下，用全合成群落或无Variovorax合成群落接种的幼苗的主根伸长率：低磷酸盐、高盐、高pH和高温。每个条件下的显著性通过方差分析（d，f）和双侧t检验（e）来确定，显示经FDR调整的P值。

g，比较全合成群落和无Variovorax合成群落（颜色代码同a）在各部分（基质（方形）、根（圆形）和芽（三角形））组成的主坐标的典型分析（CAP）散点图 n=7（基质+完整），8（基质+-Vario），6（根+完整），6（根+-Vario），5（茎+完整）或5（茎+-Vario）。

h, 琼脂、根和芽部分的全合成群落中Variovorax属的相对丰度（RA）。在16个独立的实验中，琼脂、根和芽的生物重复数分别为127、119和127。

图3 Variovorax对RGI的抑制与生长素和乙烯信号有关。

a, 诱导RGI的Arthrobacter CL28或三种激素（100 nM IAA、2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）或ACC），单独（自己）或与Burkholderia CL11或四种Variovorax分离物之一（CL14、MF160、B4或YR216）处理的幼苗初级根长。2个独立实验n = 74, 46, 61, 48, 49, 49, 45, 44, 46, 43, 49, 40, 22, 19, 22, 19, 20, 25, 28, 30, 29, 29, 29和29（从左到右）生物重复。

b，以无菌条件标准化，接种诱导RGI的Arthrobacter CL28或无Variovorax的合成菌群（-Vario）的野生型（Col-0）、生长素无反应型（axr2-1）、乙烯无反应型（Col-0 + MCP）或生长素和乙烯无反应型（axr2-1 + MCP）幼苗的初级根长。蓝色虚线表示未接种的幼苗的相对平均长度。水平阴影是用Arthrobacter CL28 +Variovorax CL14（水蓝色）或全合成群落（灰色）培育的幼苗的IQR。显著性是通过方差分析确定的；字母对应于Tukey事后检验。2个独立实验n=37、25、24、23、35、21、22和20（从左到右）个生物重复，在a，b中，数据代表平均值±95%置信区间。

图4 Variovorax的一个生长素降解操作子是根系发育所必需的。

a, 生长素降解热点33的地图。基因用其IMG基因标识符（26436136XX）的最后两位数字标注（扩展数据图9b），并以其在与Arthrobacter  CL28共培养的Variovorax CL14（CL14-CL28）中的转录物丰度相对于单培养的Variovorax CL14（CL14）（通过RNA-seq测量）的对数转换倍数变化来标注。载体1（V1）和载体2（V2）中包含的基因，以及Variovorax CL14 ΔHS33中被敲除的区域，显示在地图下方。

b, Acidovorax root219::EV, Acidovorax Root219::V2, Variovorax CL14 和 Variovorax CL14 ΔHS33对IAA的体外降解。n = 3个生物重复。

c, d, 用IAA处理的幼苗（c）或用Arthrobacter CL28与Acidovorax root219::EV、Acidovorax root219::V2、Variovorax CL14和Variovorax CL14 ΔHS33共同接种的幼苗（d）的主根长。显著性通过方差分析确定；字母对应于Tukey事后检验。 2个独立实验的c，n=49、46、46和49（从左到右）；d，n=51、41、52和53（从左到右）生物重复。