摘要：作者：Chenyu Sun, Bin Sun, Lin Chen, Meilin Zhang, Pingping Lu, Mengfan Wu, Quanhong Xue, Qiao Guo, Dejian Tang, Hangxian Lai

利用生物纳米硒颗粒招募宿主有益土壤微生物

Harnessing biosynthesized selenium nanoparticles for recruitment of beneficial soil microbes to plant roots

作者：Chenyu Sun, Bin Sun, Lin Chen, Meilin Zhang, Pingping Lu, Mengfan Wu, Quanhong Xue, Qiao Guo, Dejian Tang, Hangxian Lai

期刊：Cell Host & Microbe

时间：2024.11.18

影响因子：30.3（2023）

文章摘要

根系分泌物可以通过重塑根际微生物组来促进植物生长和维持健康，而根际微生物合成的纳米硒颗粒是否在植物微生物组操纵中起着类似的作用仍然未知。本研究中，从种植在富硒土壤中的玉米根际分离出能够合成纳米硒颗粒（SeNPs）的硒细菌。土壤外源施加SeNPs、细菌趋化性和生物膜形成试验表明，SeNPs以剂量依赖的方式招募促生菌进而提高了植物性能。基于硒细菌合成群落试验、多组学分析和基因敲除验证，揭示了细菌-植物跨界信号级联介导的硒细菌高效合成SeNPs的机制：关键硒细菌芽孢杆菌产生的组胺信号刺激宿主植物根系分泌对香豆酸，硒细菌（如假单胞菌）的rpoS基因响应对香豆酸进而积极调控SeNPs的合成。本研究揭示了一种招募宿主有益土壤微生物的新模式，为植物相关微生物组的定向操纵提供了新的思路。

主要内容

1.硒细菌合成的纳米硒能够招募促生菌

从富硒土壤中种植的玉米根际分离出能够合成SeNPs的硒细菌。发现SeNPs能够以剂量依赖的方式诱导促生菌芽孢杆菌趋化性和生物膜形成。此外，向取自不同地区的天然土壤中外源施加SeNPs同样能够富集宿主有益土壤微生物芽孢杆菌（图1）。这证实了SeNPs在招募宿主有益土壤微生物中的重要作用。

图1

2.芽孢杆菌是植物-微生物互作介导硒细菌高效合成SeNPs的关键细菌

考虑到SeNPs对促生菌的募集和植物性能的提高呈现剂量依赖性效应，进一步揭示了植物-微生物系统中硒细菌高效合成SeNPs的机制。先前的研究发现，合成微生物群落（SynComs）在促进植物生长和维持植物健康方面比单菌效果更好。因此，我们将不同属的硒细菌随机构建了多个SynComs，每个SynCom含有3-5种硒细菌而细胞数量保持一致。首先，我们测试了SynComs中的硒细菌之间是否存在相互作用促进SeNPs合成。发现单菌的SeNPs合成效率越高，由其组成的SynComs的SeNPs合成效率越高，但低于单菌。表明，硒细菌之间没有直接相互作用促进SeNPs合成。

接下来，测试了植物根系分泌物是否参与调控硒细菌合成SeNPs。分根试验表明，在添加了生长在灭菌土壤中的玉米根系分泌物后，所有SynComs的SeNPs合成速率较不施加根系分泌物没有明显变化。然而，含有芽孢杆菌的SynComs（例如SynCom19）在添加了接种该SynComs的植物根系分泌物后，SeNPs合成效率显著提高，并超过了在不含根系分泌物培养下的所有单菌。我们还将SynComs接种下的植物根系分泌物添加到亚硒酸盐溶液中，没有观察到SeNPs的产生，这排除了根系分泌物中的化合物将亚硒酸盐化学还原为SeNPs的可能性。

在SynCom19的菌株水平上进行了测试，发现添加Bacillus sp. ZY519接种下的植物根系分泌物增加了所有SynCom19菌株成员的SeNPs合成速率。这种根系分泌物没有明显影响到SynCom19菌株成员的生长。SynCom19其他成员菌株不具有该功能。上述结果表明，芽孢杆菌作为关键细菌介导植物根系的代谢重编程，特异性地刺激根际硒细菌合成SeNPs（图2）。

图2

3.芽孢杆菌产生的组胺是介导硒细菌高效合成SeNPs的初级跨界信号

进一步测试了不同硒细菌代谢产物介导的根系分泌物变化是否影响硒细菌合成SeNPs。发现添加Bacillus sp. ZY519代谢物刺激下的植物根系分泌物增加了所有SynCom19菌株成员的SeNPs合成速率。为了鉴定信号代谢物，对SynCom19菌株成员的代谢物进行非靶代谢组学分析。基于随机森林、差异表达分析和Mantel检验，Bacillus sp. ZY519产生的组胺被视为候选代谢物。通过组胺外源添加试验，证实了该物质是由芽孢杆菌产生的介导硒细菌高效合成SeNPs的初级跨界信号（图3）。

图3

4.植物产生的对香豆酸是介导硒细菌高效合成SeNPs的次级跨界信号

基于广靶代谢组学揭示了组胺诱导的植物根系分泌物变化，不施加组胺为阴性对照，接种菌株ZY519为阳性对照。与阴性对照相比，组胺施加和ZY519接种下的植物根系分泌物中对香豆酸及其衍生物的相对丰度及VIP值更高。基于Mantel检验，发现对香豆酸及其衍生物的相对丰度与硒细菌的SeNPs合成速率显著相关。进一步对候选代谢物对香豆酸进行功能验证，发现该物质的施加能促进硒细菌合成SeNPs，表明植物根系产生的对香豆酸是介导硒细菌高效合成SeNPs的次级跨界信号（图4）。

图4

5.对香豆酸通过上调硒细菌中的RpoS基因的表达积极调控SeNPs合成

为了揭示硒细菌响应植物根系分泌物进而积极调控SeNPs合成的分子调控机制，对施加和未施加对香豆酸的硒细菌进行了转录组学分析。我们重点研究了Pseudomonas sp. ZY71，因为与其他硒细菌相比，对香豆酸诱导该菌株SeNPs合成效率的增幅最高。基于差异表达分析和共表达网络分析，鉴定出了一个潜在的关键转录因子基因rpo。通过基因敲除证实了其功能——根系分泌物对香豆酸以rpoS依赖的方式介导rpoS依赖的方式介导Pseudomonas sp. ZY71高效合成SeNPs（图5）。此外，rpoS在组胺和对香豆酸介导的促生菌招募和植物促生中的作用也得到了验证。

图5

总结

总之，本研究揭示了一个涉及特定微生物和植物代谢物的跨界信号级联介导根际硒细菌高效合成SeNPs的机制。该机制有益于宿主有益土壤微生物在植物根际富集，从而提高了植物的性能。本研究为植物相关微生物组的定向操纵提供了新的思路。

作者团队简介

来航线教授团队近年来以功能微生物及其代谢产物的根际微生物组及植物免疫调控为核心，系统揭示了功能微生物介导下"植物-土壤-微生物"的互作关系，改善植物根际微生态的“功能微生物-土著微生物”互作机制及提高植物抗性、改善品质的“功能微生物-植物”互作机理，相关成果发表在Soil Biology and Biochemistry、Food Research International、Biology and Fertility of Soils、Plant and Soil等杂志上。

来源：科学老丁