Nature子刊：英属哥伦比亚大学揭示植物塑造根际微生物组新机制

FERONIA restricts Pseudomonas in the rhizosphere microbiome via regulation of reactive oxygen species

Nature plants [IF:13.256]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41477-021-00914-0

发表日期：2021-05-10

第一作者：Yi Song(宋毅)1,2

通讯作者：Cara H. Haney ([email protected])1,2

合作作者: Andrew J. Wilson, Xue-Cheng Zhang, David Thoms, Reza Sohrabi, Siyu Song, Quentin Geissmann, Yang Liu, Lauren Walgren, Sheng Yang He(何胜阳)

主要单位：

1,2加拿大英属哥伦比亚大学(Department of Microbiology and Immunology, The University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada;Michael Smith Laboratories, The University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada)

动植物所共生的复杂微生物群体(微生物组)通常含有比宿主更多的功能基因和强大的代谢潜能，显著影响宿主的环境适应性。尽管过去几十年的植物免疫学研究系统揭示了植物和病原菌“军备竞赛”的互作机制，但对植物如何富集有益微生物的分子机制却了解极少。植物在遭受多种真菌或线虫病害后可以主动在根际土壤中富集有益微生物(荧光假单胞杆菌等)拮抗病害，从而使得土壤成为“抗病土壤”，这被称为植物向益生菌的求救策略(“cry for help”)。尽管“抗病土壤”的现象在上个世纪初就被发现，但植物调控益生菌定殖的分子机制尚不清楚。

近日，加拿大英属哥伦比亚大学Cara Haney课题组(第一作者为宋毅博士)在该领域取得突破，在植物学顶级期刊Nature Plants上发表研究论文《FERONIA restricts Pseudomonas in the rhizosphere microbiome via regulation of reactive oxygen species》 (https://dx.doi.org/10.1038/s41477-021-00914-0)。密歇根州立大学何胜阳课题组（现杜克大学）参与该工作。

该研究从一批能够阻断激素与根系免疫互作的突变体入手[1]，通过基于48孔板的高通量植物与根际共生菌互作体系，筛选出*hsm13* 在根际土中显著富集荧光假单胞杆菌(*fluorescent Pseudomonads*)(图0*)。遗传定位和互补实验显示hsm13 表型是由于类受体蛋白激酶FERONIA激酶结构域单碱基突变导致，hsm13 被重命名为fer-8*。

a,b hsm13 突变体在天然土壤中富集根际荧光假单胞杆菌；

c 微生物组测序表明假单胞杆菌科在fer-8 根际土中显著富集，PL：parental line (野生型亲本系)；

d fer-8 塑造的微生物组能够促进后代生长。

通过微生物组测序分析发现，fer-8 突变体显著影响菌群组成。但有趣的是， fer-8 根际微生物组与野生型相比差异十分有限，仅有假单胞杆菌等少数几个科。进一步在48孔板体系中对多个共生菌进行单个接种验证时发现，fer-8 突变体相对特异性的富集绝大多数假单胞杆菌株系，却并不富集其他根际共生菌，例如芽孢杆菌(Bacillus)、草螺菌(Herbaspirillum)和伯克霍尔德氏菌(Burkholderia)等。这说明fer-8 相对特异性的富集荧光假单胞杆菌(多为益生菌)，并且没有造成严重的菌群失调(通常是有害的)。进一步通过根际微生物组移植实验发现fer-8 塑造的微生物组能够促进下一代植物生长。

HSM13/FER inhibit rhizosphere Pseudomonas growth

a 在自然土壤中生长时，野生型植物(Col-0和Ws生态型)以及突变体hsm13 和ark1-1(Col-0背景)以及bri1-5(Ws背景)的形态；

b 在自然土壤中生长时，hsm13具有高水平的与根相关的荧光假单胞菌，而具有类似发育缺陷的其他突变体则不会影响根际荧光假单胞菌的水平。将根际样品制作显微片置于King’s B上，并在紫外线下成像；

c 每克根际样品中荧光菌落的定量(土体土壤样品中n = 3，其他样品中n = 7)；

d 本研究中描述的FER蛋白结构域和等位基因的插入/突变位置；

e 3周龄野生型植物(Col-0)，亲本系(pCYP71A12：GUS)，hsm13，fer-4，fer-5，F1杂交(fer-4×hsm13 或Col-0×hsm13 )和fer-4 / FER–GFP 的表型；

f 相对于Col-0，fer-4×hsm13之间的F1杂交具有较高的根际假单胞菌水平，而Col-0×hsm13 F1s恢复的假单胞菌水平与野生型植物相似 (从左到右n=7, 11, 17 and 11)；

g 在水培幼苗试验中，Fer-4和fer-5突变体的假单胞菌水平升高。每个点都代表一个实验中六个以上植株的平均值。

c、f、g种采用方差分析(ANOVA)和Tukey’s HSD检验确定差异的统计学显著性。不同字母表示P < 0.05。均值±标准误被显示.

Pseudomonadaceae are enriched in the rhizosphere microbiome of fer-8

a 实验1中的fer-8 和野生型(Col-0)的土体土壤和根际样品的Bray–Curtis距离的PCoA(基于OTU的相对丰度)统计显著性通过置换多元方差分析检验(土体土壤样品n = 6，其他样品的 n = 8)；

b 土体土壤和根际样品中细菌门或纲(变形菌门)的相对丰度。箭头显示相对于亲本系，仅厚壁菌门在 fer-8 的根际中显著富集(3.53倍；使用DESeq2计算)；

c 土体土壤和根际样品中的OTU数(左)和香农多样性指数(右)(土体土壤样品中n = 6，其他为8)。统计显著性由ANOVA和Tukey的HSD检验确定(P