木本植物根際微生物組裝的時(shí)空動(dòng)態(tài)規(guī)律及其與宿主協(xié)同抗逆機(jī)制
植物在自然生境中持續(xù)遭受干旱、鹽漬化及病原侵染等非生物與生物脅迫的多重挑戰(zhàn)。作為多年生木本植物，林木通過長期協(xié)同進(jìn)化與根際微生物群落形成了獨(dú)特的共生網(wǎng)絡(luò)，這種互作系統(tǒng)在時(shí)空維度上展現(xiàn)出顯著的可塑性與生態(tài)穩(wěn)定性。
近年研究表明，林木根際微生物組在宿主抗逆表型可塑性調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其生理生態(tài)功能已得到分子生態(tài)學(xué)證據(jù)的支持。然而受限于傳統(tǒng)純培養(yǎng)技術(shù)的局限性，當(dāng)前研究仍難以精準(zhǔn)解析：1)復(fù)雜微生物群落中具有關(guān)鍵生態(tài)功能的核心菌群；2)林木-微生物跨界調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對宿主抗逆性的級聯(lián)效應(yīng)；3)植物-微生物共進(jìn)化過程中形成的遺傳調(diào)控機(jī)制。
北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院謝劍波課題組2025年4月在Microbiome期刊(IF5=17.9,一區(qū)TOP)在線發(fā)表了題為“Microbe-mediated stress resistance in plants:the roles played by core and stress-specific microbiota”的研究。本研究標(biāo)志著該團(tuán)隊(duì)在林木-微生物協(xié)同抗逆領(lǐng)域系統(tǒng)性理論框架構(gòu)建的另一重要進(jìn)展。基于前期發(fā)現(xiàn)的"年齡效應(yīng)下楊樹根系微生物模塊動(dòng)態(tài)變化"(New Phytologist,2023)和"楊樹調(diào)控基因依賴性微生物組裝模式"(Nature Communications,2025;Scientific Data 2025)，本次研究創(chuàng)新性地將時(shí)間維度(Time-dependent dynamics)與空間特異性(niche-specific colonization)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)相耦合，結(jié)合分子生態(tài)學(xué)和分子遺傳學(xué)手段闡釋了木本植物根際微生物組裝的時(shí)空動(dòng)態(tài)規(guī)律及其與宿主協(xié)同抗逆機(jī)制。該系列研究系統(tǒng)解析了楊樹關(guān)鍵調(diào)控樞紐NAC(脅迫響應(yīng)家族)、bZIP(ABA信號核心元件)、bHLH(次生代謝調(diào)控模塊)等轉(zhuǎn)錄因子的跨界調(diào)控機(jī)制。
這些調(diào)控基因通過"轉(zhuǎn)錄重編程-代謝物定向招募-微生物模塊組裝"三級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，特異富集放線菌、假單胞菌等脅迫緩解功能的微生物模塊。如通過共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)鑒定出bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族的成員bHLH1(GL3)與黃酮、類黃酮生物合成相關(guān)基因協(xié)同表達(dá)。PopGL3蛋白可以調(diào)節(jié)類黃酮合成相關(guān)基因PopPA2、PopF3'H、PopDAHP、PopCCR1和PopTHB的表達(dá)。通過過表達(dá)PopGL3和查爾酮合成酶(PopCHS4)可提高tricin的分泌，并驅(qū)動(dòng)假單胞菌在根際定殖，進(jìn)一步促進(jìn)低氮土壤中楊樹的生長和氮素獲取(圖1)。
圖1:tricin和apigenin合同通路招募的假單胞菌促進(jìn)了楊樹的氮利用和次生根生長
通過構(gòu)建不同處理組(對照、干旱、鹽堿、病害)的微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，研究發(fā)現(xiàn)脅迫環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性更高。鹽堿和干旱組的負(fù)相關(guān)邊比例較高，表明非生物脅迫下微生物間競爭或生態(tài)位分化加劇；而病害組的負(fù)相關(guān)邊較少，可能與病原誘導(dǎo)的協(xié)同防御有關(guān)。隨著鹽堿和干旱脅迫時(shí)間延長，微生物互作節(jié)點(diǎn)和連接數(shù)持續(xù)減少，群落結(jié)構(gòu)趨于簡化。病害組的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性未顯著降低，推測葉片病原通過系統(tǒng)性信號“溫和”重塑根際微生物組，而非直接淘汰物種。通過模擬物種滅絕實(shí)驗(yàn)評估網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，證實(shí)核心微生物像“基礎(chǔ)設(shè)施”維持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，而逆境特異性微生物則像“特種部隊(duì)”，在特定壓力下被植物招募并激活抗逆功能。通過分離楊樹根際781株細(xì)菌(圖2)，成功構(gòu)建了6組合成微生物群落(SynComs)。
實(shí)驗(yàn)表明，接種含脅迫特異性微生物的SynComs可顯著提升植物抗逆性：在鹽堿、干旱和病害條件下，處理組植株鮮重分別比對照組提高53.3%、43.4%和38.7%，且這些群落能特異性激活抗逆相關(guān)基因表達(dá)。值得注意的是，同時(shí)包含核心菌群與逆境特異性菌群的“協(xié)同組合”效果最佳，而單一菌群接種效果有限，證實(shí)了微生物功能互補(bǔ)的重要性。
圖2:構(gòu)建合成微生物群落協(xié)助楊樹抵御逆境脅迫
北京林業(yè)大學(xué)謝劍波教授為本文的通訊作者，博士研究生劉思佳、吳家東為本文的共同第一作者。林木分子育種團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張德強(qiáng)教授給予該工作總體指導(dǎo)。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中央高校、中國林業(yè)與草原科技創(chuàng)新青年拔尖人才項(xiàng)目和111計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
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