原文链接：Plant microbiota controls an alternative root branching regulatory mechanism in plants | PNAS

意义

植物和微生物之间的相互作用，共同控制着陆地植物的根系分支的发展。然而，植物微生物群如何促进根系分枝的机制尚不清楚。利用二元相互作用，我们表明植物微生物群调节模式植物拟南芥的根系结构。我们发现，微生物群对根系分枝的影响可以独立于植物激素生长素，并需要植物激素乙烯的诱导。在用合成和天然微生物群落进行的微生物群重组实验中，我们发现微生物对根系分枝的影响对植物适应非生物胁迫很重要。在自然生态系统中，对根部施加的微生物控制可能有助于植物对变化的环境的适应。

摘要

与微生物建立有益的相互作用，有助于植物调节根系的可塑性以应对环境线索。然而，植物微生物群是如何与植物根系协调以控制其分枝的，尚不清楚。在这里，我们表明，植物微生物群影响了模式植物拟南芥的根系分枝。我们确定微生物群控制根部分支的某些阶段的能力可以独立于在无菌条件下指导侧根发育的植物激素生长素。此外，我们揭示了一种控制侧根发育的微生物群驱动机制，它需要诱导乙烯反应途径。我们表明，微生物对根系分枝的影响可能与植物对环境胁迫的反应有关。因此，我们发现了一个控制根系分枝可塑性的微生物群驱动的调控途径，这可能有助于植物对不同生态系统的适应。

图1 细菌分离株影响根系结构。

(A）条形图显示细菌菌株对根系结构特征的影响。在图中，不同的颜色代表了在总共391个细菌菌株中，能够对单个根系特征产生积极（紫色）或消极（蓝色）影响的比例。

 (B）热图显示了每个成对比较的根系结构特征之间的皮尔逊相关系数，这些根系结构特征在对单个细菌分离物收集的反应中被量化。根系结构特征的定义见材料和方法部分。

 (C）条形图显示了每个根部特征对个别细菌菌株的反应的变异系数。在图中，A、B和C面板根据B面板的相关系数进行了分层聚类，以定义高度相关的根系特征的集群。在每个聚类中，具有最高变异系数的特征被选为根系结构标记（C组的绿色条）。

(D）热图显示与未接种的对照相比，细菌菌株对选定的根系结构特征的影响。与未接种对照组有明显差异的数值（Wilcoxon签名排序测试，q值<0.05）用小的垂直线突出显示。这些数值根据细菌处理及其对根系结构特征量化的影响进行了聚类。面板底部横条上的颜色，从上到下，分别代表了现有细菌基因组中已知的生长素（IAA）生物合成或降解操作子的存在，以及为进一步实验选择的细菌菌株。在这个实验中，我们在每个细菌条件下至少使用了两个独立的生物重复，每个重复有10株植物。

图2 微生物群对侧根发育的某些阶段的控制可以独立于生长素信号网络。

(A）棒棒糖图显示细菌对Selaginella分枝的影响。与未接种的对照组相比，单个细菌对Selaginella根分叉的影响被估计。紫色和蓝色的数值分别明显高于或低于无细菌对照（Dunnet检验，q < 0.05）。红色突出显示的是经生长素（IAA）处理的Selaginella，我们用它作为对照。在这个实验中，我们在每个细菌条件下使用两个独立的生物重复，每个重复12个外植体。

(B). Selaginella外植体在无菌MS平板（无细菌，NB）或接种RCL115、L185、RMF27和RMF110细菌MS平板的根分叉的示例性图像。

(C）热图显示不同细菌分离株定植7天后对野生型Col-0植物和侧根突变体iaa14 slr-1, arf7 arf19, nph4-1, lbd16-1, gnom184, gelpquint1和gelp72的侧根密度的估计影响。这些数值已根据细菌处理方法进行了分组。与未接种的对照组有明显差异的数值用黑色方块标出（Dunnet检验，q值<0.1）。

(D）野生型Col-0植物和侧根突变体arf7 arf19, nph4-1, lbd16-1, gnom184, gelpquint1和gelp72在无菌MS平板（无细菌，NB）或接种了增加侧根密度的RMF27细菌的MS平板上生长的示例性图像。为了突出该细菌对侧根形成的影响，一些突变体在接种后7天，其他突变体在接种后14天进行了成像。在这个实验中，每个细菌处理至少使用两个生物独立重复，每个重复10株。

图3 微生物群对侧根发育和功能的积极影响可以独立于生长素的生物合成。

(A）堆积的柱状图显示了接种了一系列的细菌分离物后，野生型植物和侧根突变体nph4-1、lbd16-1和gnom184在不同发育阶段的侧根原基的比例。图中不同的颜色代表不同的侧根原基阶段[I、II、III、IV、V、VI、VII和E]。图的顶部是显示不同基因型和所用细菌处理的侧根原基总数的点阵图。在每种情况下，未接种对照的侧根原基总数用黄色表示，相对于未接种的对照，明显增加原基数量的菌株用紫色表示（Dunnet检验，q＜0.05）。在这个实验中，我们在每个细菌和基因型条件下使用了10株。

(B）条形图显示在有菌或无菌接种的野生型植物中，与未处理的植物（无分子）相比，L-Kynurenine （顶部）和NPA（底部）对侧根密度的比例影响。不同的颜色代表了与未经处理的植物相比，由生长素抑制剂（分子）引起的侧根密度变化的重要性。灰色条表示对生长素抑制剂处理没有明显反应的植物，紫色和蓝色的是对生长素抑制剂反应增加或减少侧根密度的植物（Dunnet检验，q < 0.05）。我们在每个条件下使用两个独立的生物重复，每个重复至少有10株植物。

图4 植物微生物群在侧根形成过程中诱导了对乙烯的转录反应。

(A) 使用分级基因过滤策略对Col-0、侧根突变体arf7 arf19、nph4-1、lbd16-1和gnom184的转录数据，以及对细菌分离株有无反应（NB）的植物侧根表型，从RNA测序实验中选出的437个差异表达基因热图。X轴中的群组被标记为植物基因型和细菌处理。右边的竖条显示了从文献中确定的乙烯核心基因的流行情况（6）。

条形图显示基因(B）和转录因子（C）的百分比，来自植物激素（乙烯、辅酶、细胞分裂素）和从文献中确定的病原体相关分子模式flg22核心基因集，在A中确定的高表达基因（>=3×对数倍变化）中发现。紫色表示统计学意义（超几何检验，q < 0.05）。

(D）在A中诱导的已确定的28个乙烯反应基因的标准化表达，在无菌（NB）或单菌植物的反应或（E）细菌处理的平均值。绿色代表转录因子。连接两点的线是未接种和接种细菌处理之间的差异。每个处理的平均表达量（μ）在面板的顶部。对于RNAseq实验，我们每个条件使用三个独立的生物重复，每个至少有10根。我们重复这个实验两次（n = 6）。

图5 植物微生物群控制侧根发育的某些阶段，全面诱导植物的乙烯反应。

(A）单个细菌在野生型植物Col-0和乙烯突变体ein3 eil1、ein2和etr1中定植后，细菌量级对侧根密度的影响分布。我们在每个条件下使用两个独立的生物重复，每个重复10株，我们重复这个实验两次。

(B) 示例图像显示了乙烯抑制剂AVG对定植或未定植细菌的野生型植物和乙烯突变体ein3 eil1侧根密度的影响。

(C）细菌量级对野生型植物Col-0、乙烯突变体ein3 eil1和侧根突变体arf7 arf19和gnom184的侧根密度的影响分布，这些植物只用单个细菌菌株定植（无分子）或用乙烯前体ACC或用乙烯生物合成抑制剂AVG处理。在每个基因型中，我们将不同处理中的细菌效应标准化，以显示ACC和AVG的影响。我们在每个条件下使用两个独立的生物重复，每个重复10株。

(D）图像显示了野生型植物和侧根突变体arf7 arf19的例子，它们生长在无菌条件下，用或不用乙烯前体ACC处理，用或不用RMF27细菌定植，用或不用ACC处理。

(E）点阵图显示野生型Col-0植物、侧根突变体gnom184、PAMP受体突变体fls2和乙烯突变体ein3 eil1对细菌合成群落（SynCom）或从自然土壤中分离出来的自然群落响应的侧根密度。颜色代表不同的处理。显著性是通过线性模型确定的，字母代表Tukey事后检验的紧凑字母显示。我们在每个条件下使用两个独立的生物重复，每个重复10株。这个实验重复了两次。

(F）点阵图显示野生型Col-0植物在补充有100mM NaCl的全营养培养基或不补充Fe培养基，不定植（NB）或定植细菌合成群落或从天然土壤中分离的天然群落中生长的侧根密度。颜色代表不同的处理。显著性是通过线性模型确定的，字母代表Tukey事后检验的紧凑字母显示。我们每个条件使用两个独立的生物重复，每个条件有10株植物。该实验重复了两次。

(G) 微生物群用于调节侧根发育的机制的建议模型。