编译：陶陶，编辑：小菌菌、江舜尧。

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本文从萨顿·波宁顿校园（英国诺丁汉大学）的无农药和肥料的地点收集土壤。取土人员戴手套，工具用水冲洗并用70％的乙醇消毒，丢弃大约10 cm的土壤（包含本地植被），并将收集的土壤置于4°C的干净塑料盒中。

将收集的土壤在室温下在干净的塑料托盘中干燥5天，然后使用塑料筛进行筛分，除去岩石和植物残渣。然后将土壤与高压灭菌的干块沙以2：1（v / v）的比例混合，以改善土壤排水。在圆形塑料盆（直径9厘米）的底部放置一个已消毒的正方形滤布，以防止土壤渗漏。然后将所有盆装满土壤混合物并用于种植拟南芥植物。

本研究中使用的所有拟南芥突变体都在CoL-0背景下(表S1)。为了确定根扩散屏障调控网络在控制微生物群组成中的作用，我们分析了一系列突变(esb1-1, myb36-2 (GK-543B11), sgn3-3 (salk_043282), myb36-2 sgn3-3,casp1-1 casp3-1 (SAIL_265_H05/SALK_011092), erk1-3 (SALK_060966), rbk1-1(SALK_043441), erk1-3 rbk1-1, tic-2 (SAIL_753_E03), dir9-1 dir18-1 esb1-1  (GABI_323A02/SALK_115430),  esb1-1 sgn3-3,  ralph-1  (SM.37066), horst-1 (SALK_107454),  ralph-1 horst-1,(C4H::F5H,pCASP1::CDEF1(wild-type), pCASP1::CDEF1(esb1-1),pELTP::CDEF1(sgn3-3),pELTP::CDEF1(myb36-2 sgn3-3))。

所有种子均用70%漂白剂、0.2%吐温-20表面灭菌8min，并用无菌蒸馏水冲洗3次，来消灭种子表面携带的微生物。种子在4摄氏度的黑暗中放置2天，然后在装满按照前文所述的土壤混合物的无菌花盆中萌发。对照是野生型植物Col-0的盆栽。所有的花盆都是随机排列的。包括对照组，每周从顶部用无菌蒸馏水浇水两次。植株生长在白天21°C，夜间 19°C， 8h光照，16h黑暗的的生长室中，连续11周。这个实验重复了两次。

为了从13个菌株中分离出单个菌落，在LB(根收集)和R2A[叶收集；(酪蛋白酸水解物0.5 g/L，酵母提取物0.5 g/L，蛋白酶蛋白胨0.5 g/L，葡萄糖0.5 g/L，淀粉0.5 g/L，磷酸二钾0.3 g/L，硫酸镁0.024 g/L，丙酮酸钠0.3 g/L，琼脂15g/L， pH7.2加甲醇0.5%)]平板上，温度为28℃。然后将单个菌落接种在含有4毫升LB培养基(根收集)或添加0.5%甲醇R2A培养基(叶收集)的无菌试管中，并在28℃培养箱中以250转/分钟的搅拌速度生长。所有培养物在台式离心机(Eppendorf 5810R)中离心，室温下3220克，用10mM氯化镁洗涤以除去培养基和细胞碎片。这个步骤重复了两次。将清洁的细菌细胞重悬于1ml的10mM氯化镁中，然后测量OD_600nm纳米。假设1OD_600nm单位等于10⁹c.f.u/ml，在合成群落中以10⁵c.f.u/ml的最终浓度混合单个细菌。将合成的菌落接种物(OD_600nm=0.2；100μL)用L型细胞散布器(Fisher Science)铺在12×12 cm方形琼脂平板上，然后移栽。

1.控制内胚层功能的基因影响微生物组的组成

我们比较了野生型拟南芥(accession Col-0)植株与5组根扩散障碍突变体和过度表达相关基因的转基因系的细菌群落组成。拟南芥植物缺乏外胚层，因此这种基因型集合代表了内胚层根扩散屏障网络不同部分的明显组合损伤。我们在自然土壤中种植植物，并用16S rRNA扩增序列测定了它们的地上部、根冠和土壤细菌群落组成。我们观察到，根扩散屏障损伤较强的基因型(第5组和第6组)的地上部面积显著减少，这可能是土壤性质、微生物群存在和根系扩散障碍之间复杂相互作用的结果。

总体微生物组特征与以前的发现一致。分析表明根扩散屏障基因型之间的细菌群落组成存在显著差异(图1A)。正如植物衍生机制所预期的那样，我们在根和地上部观察到这些差异，但在土壤部分(根和地上部的持久性有机污染物< 1e-4，土壤持久性有机污染物=0.25)中没有观察到这些差异(图1A)。具有显著不同细菌群落的基因型代表了所分析的大多数根扩散屏障植物组(图1A)，表明广泛分布在根扩散屏障调节网络中的某些基因有助于植物微生物组的组成。为了进一步了解根扩散屏障和植物微生物群之间的相互作用，我们建立了一个细菌合成群落，该群落由41个分类上不同的细菌组成，这些细菌从生长在自然土壤中的拟南芥的根和地上部分离出来。这种人工合成的群落与在自然拟南芥种群中观察到的内生室群落组成很接近。我们在琼脂平板上接种了代表不同功能基团的7种根扩散屏障基因型的野生型植物幼苗。我们证实，具有非典型根扩散屏障的植物，即使在琼脂平板上，其根扩散屏障基因型之间的发育和生理差异也是相同的。我们测定了在自然土壤和琼脂平板上生长的不同基因型的叶片离子图谱。因此，我们证实具有非典型根系扩散屏障的植物是一种改变了的微生物群，即使是在最小化根系扩散屏障基因型之间的发育和生理差异的琼脂皿上(图1)。我们发现在自然土壤和琼脂系统中，根部细菌群落差异与地上部离子组差异(图1)之间存在显著的相关性(Mantel检验p<0.05)。这种相关性与生长在自然土壤中的植物的地上部微生物群不那么明显，而在琼脂平板上生长的植物的土壤微生物群和地上部微生物群中不存在该菌群。作为对照，我们对不同于植物地上部离子组的土壤元素剖面重复了同样的分析，并且我们没有检测到与微生物组有显著的相关性。

结果(图1)表明，在拟南芥植物中，内胚根扩散屏障成分调节植物微生物群的结构。这一效应表明，维持矿质营养动态平衡的相同机制也有助于微生物群落的组成。

图1 带有改良的根扩散屏障的植物聚集了一个不同的微生物群。(A和B)根微生物群落组成的典型分析(CAP)，显示在(A)自然土壤和(B)接种了非细菌合成群落(SYCOM)的琼脂平板上生长的植物中根部扩散障碍基因型(数量)的投射微生物群落组装。(A和B)根微生物群落组成的典型分析(CAP)显示在(A)自然土壤和(B)接种非细菌合成群落(SYCOM)的植物中根扩散障碍基因型(数量)的投射微生物群组装。(C和D)地上部矿质营养成分(离子组)的CAP分析，显示生长在(C)自然土壤和(D)接种细菌合成群落的琼脂平板上的植物基因型(数量)的投影离子分布。(E和F)在(E)自然土壤和(F)琼脂平板接种细菌合成群落中生长的植物的地上部电离体与根的微生物组成之间的成对相关分析(E)和(F)接种细菌合成群落的(F)琼脂平板上生长的植物的地上部电离体与根的微生物组成之间的成对相关分析(E)和(F)接种细菌合成群落的(F)琼脂平板上生长的植物。面板显示Mantelr统计数据及其p值。

2.单个细菌菌株改变了根部扩散屏障

为了探讨根系扩散屏障与植物微生物组之间的相互作用，我们分析了微生物群对根系扩散屏障在内皮层沉积的影响能力。我们确定了从自然土壤中生长的拟南芥根和芽中分离出的416个单独菌株的凯式带沉积和木栓质合成的变化。我们单独筛选了菌株修改凯式带阻断荧光载脂蛋白示踪剂碘化丙烯向根组织层扩散的功能。我们发现，所分析的分离株中，25%和1.9%分别对碘化丙的扩散产生了明显的早期和晚期阻滞(图2A)。这些结果表明，根系微生物组的成员具有改变凯式带形成的能力。

为了测试这种细菌效应是否也发生在内皮脂蛋白的沉积中，我们分析了栓化报告pGPAT5的表达。MCITRINE-SYP122对416个细菌分离物的响应。大多数被分析的细菌(71%)显著扩大了GPAT5表达遵循斑块模式的根区(图2A)。相应地，GPATS连续激活的根区减少(图2A)。我们排除了细菌对内胚层栓化的影响完全与诱导根生长变化的细菌能力有关(图2A)。木栓质沉积表型显示出一个很强的系统发育信号(Pagel‘sλ=0.78，p=4.3e-40)，突出表明密切相关的菌株在根瘤形成过程中表现出相似的作用(图2A)。

我们证明细菌对凯式带功能和内胚层栓化的影响没有联系。还发现，凯式带的合成比内胚层板层化更能抵抗单个细菌的影响，并且植物微生物群的成员可以独立于凯式带而改变木栓质的沉积。

接下来，我们使用植物联合分析中具有代表性的细菌菌株 (n=41)来测试它们对菌根化的影响是否调节了植物矿质营养的动态平衡(图2B和图2)。结果表明，植物微生物群的成员可能干扰了控制内胚层亚栓化的机制，如激素控制或免疫系统激活。这些结果表明，来自植物微生物群的菌株可以在很大范围内改变内胚层中木栓质的积累。

我们探讨了细菌诱导的根扩散屏障功能的改变是否会影响植物矿质营养的动态平衡。对接种了所选菌株的植物的枝条分析表明，电离组中存在强烈的扰动(图2D)。我们确定了矿物质营养素的群集，它们的浓度在细菌菌株处理中显著增加、降低或没有改变(图2D)。单一菌株诱导的木栓质积累的变化与地上部大量营养物质的积累高度相关(图2E)。不同的对照排除了观察到的差异是由叶片中存在的细菌引起的间接施肥效应。这些发现有力地表明，由植物微生物群落介导的影响木栓质沉积的机制也影响植物中矿质营养的动态平衡。我们发现根细菌定植能力与植物中的木栓质沉积呈正相关。这种相关性表明细菌定殖可能是细菌对木栓质沉积的阳性作用的预测因子。

图2 细菌分离株可以改变内皮细胞的功能。(A)条形图，代表细菌分离物对碘化丙啶(Pl)渗透性、大豆油苷生物合成和根部细胞总数的平均影响。与无细菌对照(每组中的水平线)明显不同的数值是红色的。(B)选择具有代表性的细菌菌株。在每个轴的顶部是理论上相应的数据分布，被分成三元组。红点代表选定的细菌。(C)暴露于所用细菌分离物对照、无菌条件下生长的植物和pCASPI：CDEF1的Col-0中的区别菌化(从根尖到菌根化连续区域的距离)呈红色，颜色代表菌群，对菌根化有不同的影响。(D)热图，显示接种或未接种细菌菌株(NB)的植物中的标准化矿质养分浓度。(E)条形图，显示在暴露于细菌菌株的植物中，每种矿物质营养丰度与菌根化之间的相关系数，红色条形显著(q<0.05)

3.细菌合成群落改变了木栓质可塑性

为了研究更复杂的植物微生物组在调节木栓质沉积中的作用，我们使用了由41种不同分类细菌组成的细菌共生群落（图2B），可以在根际的根际平面和内生区存在，我们在营养胁迫下种植了野生型植物，并对其进行了无菌培养或接种合成菌群，这些营养胁迫已知会引起木栓质沉积的明显扰动。我们概括了在营养不足的植物中发现的响应营养应激的木栓质可塑性（图3）。相比之下，接种合成群落的营养胁迫的植物显示出其深层沉积的可塑性水平显著降低，与连续区的距离更长也证明了这一点（图3）。这在低K和高NaCl的情况下尤其明显（图3）。在广泛的人工合成接种体浓度范围内，这种效果均很明显。我们使用直接化学定量方法确认，合成群落降低了根中的木栓质含量，并在木栓质聚酯成分中引入了微小变化。因此，我们假设这种微生物组对根部干化的影响可能是根部扩散障碍的调节成分，对营养胁迫期间矿物质营养稳态和植物生长产生了影响。我们发现接种了人工群落的植物能够更好地应对营养胁迫（图3）。与无菌而有胁迫压力的植物相比，接种菌的有胁迫压力植物的花环更大，干重也更大（图3）。我们认为这种有益的微生物组效应与表皮栓化作用有关。缺乏积累木栓质能力的不同CDEF1表达株系对微生物组效应不敏感。接种胁迫的植株比无菌胁迫的植株有更大的莲座丛和更大的干重(图3)。我们将这种有益的微生物群效应与内皮细胞板层化联系起来。不同的CDEF1表达系缺乏积累木栓质的能力，对微生物组效应不敏感。

然后，我们分析了在营养胁迫下生长的植物叶片的元素分布(图3)。所有受试的胁迫条件都诱导了植物离子组的显著变化(图3D)。根据我们之前的结果(图2D)，与无菌植物相比，接种合成群落的植物表现出不同的离子体(图3D)，表明细菌对矿质营养动态平衡有影响。微生物组介导的木栓质沉积优化了植物离子组的一部分，促进了植物对营养胁迫的适应。

图3 合成群落(SynCom)控制内皮层的栓化，以增强植物对营养胁迫的适应接种或未接种合胞体的植物的内胚层栓化，并暴露于营养胁迫。

4. 微生物组通过脱落酸反应抑制来调节木栓质形成

我们鉴定了对合成群落接种的植物Schengen途径或两者都有反应的差异表达基因(图4A)。我们发现C1和C2簇包含具有合成公共效应的基因(图4A)。与微生物群对栓化的影响一致，这些簇富含与防御、离子运输和营养反应相关的基因。与先前的观察结果(图3)一致，与苯丙烷代谢和脂肪酸延长相关的基因被合成群落抑制。此外，合成的群落抑制了对ABA的转录反应(簇C2)，ABA是一种已知能诱导木栓质积累的激素 (图4)。因此，我们假设微生物群通过ABA依赖的途径来调节栓化，事实上，我们发现ABA突变体aba2-1和abif-1模仿了在野生型植物中观察到的细菌诱导的大豆黄酮苷的减少(图4）。它们对栓化和植物生长的微生物群效应没有反应(图4C)。微生物组通过抑制植物和内皮层中的ABA信号通路来控制内胚层的硫磺化，我们没有观察到合成群落对乙烯(另一种控制硫磺化的激素)的转录反应的影响，所分析的乙烯突变体确实对微生物组对硫磺化的影响做出了反应(图4)。根部微生物区系对木栓质的影响是影响ABA信号的内胚层含栓化的一个信号分支 (图4D)。在自然条件下，植物微生物区系是根扩散屏障调控网络的重要组成部分。

图4 微生物组对栓化的影响代表了一种非特征性的调节途径。

我们证明了调控根扩散屏障的基因影响了植物微生物群落的组成，反过来，根部定植的微生物也影响了根扩散屏障的功能。我们证实了根部微生物群通过抑制植物的ABA转录反应而减少了内皮层的栓化，这对植物适应逆境条件下的营养胁迫很重要。

我们揭示了根扩散屏障和微生物群之间的协调导致了植物电离体的平衡，从而使植物能够成功地吸收。我们发现，根部扩散屏障和微生物群之间的协调导致了植物电离体的平衡，从而使植物能够成功地吸收营养胁迫。

我们的发现定义了一种机制，允许植物应对自然界矿质养分供应的波动，并概括了微生物在控制跨越界扩散屏障功能中的作用。我们的发现提高了我们对多细胞生物中的扩散障碍如何整合微生物功能以维持矿质营养稳态的理解，我们展望了基于微生物的策略在作物生产中的应用前景。

我们预计，将开辟一条未知的途径，开发出更适应极端环境条件的植物，具有更大的固碳能力、更高的有益矿质养分含量和更少的有毒元素。

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