【根際微生物】植物荷爾蒙對根際微生物的誘惑

文獻題目：Root ethylene mediates rhizosphere microbial community reconstruction when chemically detecting cyanide produced by neighbouring plants

期刊：BMC Microbiome

IF：10.465

發表日期：2020年1月18日

第一作者：陳晏

通訊作者：孫波

   主要單位：中國科學院南京土壤科學研究所土壤與可持續農業國家重點實驗室

鄰株作物釋放氰化物，誘導花生根部釋放乙烯重構微生物群落

根際微生物擴展了植物適應各種環境條件和變化的能力，是植物的第二功能庫。在自然環境中，植物不斷地調整根系代謝產物的組成和濃度以面對各種脅迫，如病原菌的侵染、鄰株競爭、草食動物的入侵等。

植物激素又稱植物荷爾蒙，越來越多研究表明，植物激素能夠塑造根際微生物群落，例如，水楊酸（SA）的分泌能夠調節細菌的分類群來形成根系微生物群落、茉莉酸（JA）及其衍生物也有類似功能。乙烯（ET）是一種揮發性植物應激激素，能透過充滿氣體和水的土壤孔隙進行擴散，對遠距離微生物具有有效招募作用。氰化物存在於3000多種植物中，包括重要的農作物，如玉米、小麥和木薯。在現代農業生態系統中，含氰作物品種常與豆科作物間作，有研究表明，氰化物能夠縮短植物胚芽休眠期，誘導幼苗產生乙烯（ET）。但很少有研究關注，含氰作物與豆科植物之間的化學聯繫。

圖1 田間試驗和盆栽試驗設計圖A田間試驗，於2013年至2016年間進行，設置間作和單作系統，在間作系統中種植6行花生，第4行和第5行間種植木薯（從左至右）；採集花生根際土壤（PRi）、木薯根際土壤（CRi）、空白土壤（BSi）；單作系統中種植花生，取花生根際土壤（PRm）和空白土壤（BSm）。
單作試驗田，花生收穫完畢後，取土壤樣本展開盆栽試驗。圖B盆栽試驗，將成對的植物種植在由鐵絲網隔開的花盆內紅色虛線表示；處理1，表示木薯單作；處理2，表示花生與木薯間作；處理3，表示花生間作；處理4，表示外源添加氯化物澆灌花生單作系統；對照則澆灌滅菌水；在出芽移栽種植20天後，採集根際土、空白土和花生植株用於後續試驗測定。（從相應的場地採樣根際土壤和空白土壤，以場地名+「S」表示；從相應的場地採集的花生植株，以場地名+「p」表示）

【實驗結果】

1.不同種植體系中花生根際營養特性

表1 兩熟制花生生長與產量

作者首先比較了田間試驗中，花生木薯間作系統是否對花生產量有所影響。通過表中數據能夠看出，間作系統中，花生的產量與單作系統相似，並無顯著差異（藍色框）；地上部分乾重、株高低於單作系統（綠色框），但是地上分枝數、單株結果數和滿果率均高於單作系統（黃色框），說明間作體系中，花生在種子中的能量投入大於地上部分植株投入。除了植物生理變化外，根際養分的顯著變化也引起了作者的注意。

附表1 間作與單作系統中根際和空白土壤的理化性質

間作系統中，花生根際土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、氨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）和速效磷（AP）均比單作系統顯著增加。與上表對比發現，在間作花生單株產量高的情況下並未引起根際土壤養分的降低，反而對土壤理化性質有所改善。然而根際土壤是根際微生物存在的主要環境，微生物在養分釋放和轉化中起著重要作用，因此不同系統中花生根際養分的供應差異，有可能意味著兩個系統中微生物群落的變化。

2.鄰株氰化物誘發花生根際產生乙烯

圖2 土壤氰化物對根系乙烯合成與釋放的影響

圖2a不同處理中土壤氰化物的變化。由圖中結果顯示，木薯根際土壤中氰化物的含量均具有較高水平；花生單作時根際土壤中僅存較少氰化物；木薯與花生間作時，土壤氰化物濃度依次從木薯根際到花生根際形成一個濃度梯度(紅框)，此時的花生根際氰化物濃度仍然是單作時的4倍。當檢測花生根內氰化物含量時，不同處理間沒有差異（圖2b），說明土壤中的氰化物並不會對花生組織造成影響。
有研究報導，間作系統中，花生的能量分配由植物激素調控。1-氨基環丙烷-1-羧酸（ACC）是植物激素乙烯合成的直接前體物質。在對比了不同處理條件下，花生植株內部ACC含量的變化後發現（圖2c），雖植株地上部分並未存在ACC的顯著變化，但在地下部分中，間作花生根部ACC含量顯著高於單作花生，且通過外源添加氰化物處理單作花生後，根部ACC含量能夠達到與間作類似的水平。花生植株中ACC含量越高，對應著乙烯含量也就越高（圖2d）。

在間作系統中，木薯根系產生大量的氰化物，花生根系也會產生乙烯，兩者之間是否有直接關係，或是通過微生物的介導完成，作者進一步的探究兩者的聯繫。

圖3 氰化物誘導花生根系生成乙烯

研究報導，某些土壤微生物具有將氰化物轉化為胺基酸的潛力，而這些胺基酸有可能進一步代謝為乙烯。為了探究氰化物和乙烯之間的關係，作者使用實時螢光定量PCR跟蹤ACS和ACO的基因表達。ACS(1-氨基環丙烷-1-羧酸合成酶)是合成乙烯前體物質ACC的合成酶，ACO（1-氨基環丙烷-1-羧基氧化酶）是生成乙烯的氧化酶。圖3a、b中間作花生基因的表達量顯著高於單作花生；外源添加氰化物處理下，其表達量與間作時類似。在氰化物的影響下花生植株基因表達發生了相應。直接排除土壤的影響，作者進行了水培實驗（圖3c），設置處理1：蒸餾水培養；處理2：氰化物培養；處理3：氰化物+乙烯合成抑制劑（CoCl2）共同培養花生植株，分別在24h和48h後測定花生根部乙烯合成量。氯化物存在時，花生根部乙烯合成量最高，在抑制劑的作用下，合成量最低，通過以上試驗，排除了土壤微生物在其中的作用。綜上，間作系統中，木薯根部釋放大量氰化物，花生根系能夠感受到土壤中氰化物的脅迫，從而誘發自身根部產生植物激素乙烯。

3.乙烯化學調控根際微生物多樣性和組成

傳統農業認為高產量與土壤養分高消耗有關，但是在本研究中，間作系統下花生即保證了單株高產量的情況下，土壤有效養分也比單作系統高。而微生物活性、多樣性和組成是決定土壤養分的重要因素。

圖4 不同處理土壤及外源乙烯培養體系中微生物多樣性

檢測不同體系中，根際微生物及土壤微生物的α-多樣性（圖4a、b），發現木薯根際微生物多樣性較低，可能是木薯根際具高濃度氰化物導致，高濃度氰化氫對微生物具有毒性；花生根際微生物在間作條件下多樣性最高。對於這個現象，作者猜想可能是由於乙烯合成增高所導致的根際微生物群落多樣性增高。

為了驗證這個猜想，作者將滅菌單作土外源添加不同濃度乙烯培養7d（實驗裝置見圖7a)，測定其微生物多樣性。與對照相比，乙烯濃度0.1mM-0.2mM處理下，根際微生物的α-多樣性顯著增加，高濃度下有所抑制（圖4d、e）。

田間試驗中，無論在間作還是單作條件下，酸桿菌（Acidobacteria）、綠彎菌（Chloroflexi）、放線菌（Actinobacteria）等七種菌均佔有較高豐度（圖3c，紅框框出），僅酸桿菌（Acidobacteria）和放線菌（Actinobacteria）存在顯著差異。同樣在乙烯外源處理實驗中情況類似，隨著乙烯濃度的增加，放線菌的數量增加，酸桿菌的數量降低。

圖5 不同處理及外源乙烯添加試驗樣品PCoA分析

通過PCoA分析，進一步驗證了乙烯調控根際微生物的多樣性和組成，並且這種調控作用主要趨向於使根際酸桿菌減少、放線菌增加（圖5）。有研究報導，許多放線菌能夠利用乙烯作為碳代謝的來源，可能是間作系統中花生根際微生物群落放線菌顯著增加的原因。

4、乙烯通過對特定微生物類群的影響調節根際網絡圖6 間作和單作系統中植物根際及相應的土壤微生物網絡

無論在間作還是單作系統中，植物種植下的根際土壤微生物聯繫更緊密，相互作用更複雜，說明植物的存在加強了根際微生物間的相互作用。並在各根際微生物網絡中找到其核心微生物，間作木薯根際OTU1，屬於γ-變形菌，間作花生根際核心微生物OTU235，屬於放線菌，單作花生根際OTU73，屬於α-變形菌，而在空白土壤並未找到核心微生物（圖6）。

放線菌門中包含了鏈黴菌屬，有研究表明鏈黴菌能夠產生抗生素，是細菌II型拓撲異構酶的抑制劑，如酸桿菌中的DNA迴旋酶。一定程度上解釋了間作系統中花生根際微生物群落，放線菌和酸桿菌此消彼長的現象。

圖7 外源添加乙烯試驗：檢測OTU235變化及其與土壤有效養分含量的相關性

在不同濃度乙烯培養下的土壤中OTU235的濃度表現出低促高抑的情況（圖7b），進一步說明了乙烯對放線菌的特異性調控作用；放線菌OTU235與土壤有效成分氨態氮、速效磷均具有正相關性，放線菌的存在一定程度上改善了土壤理化性質（圖7c、d），與間作系統中土壤有效成分得到改善的現象保持一致。

 5、土壤性質、植物性狀及根際微生物群落對花生產量的影響

圖8 影響花生產量的直接因素與間接因素

結構方程模型（SEM）研究乙烯排放對種子生產的直接和間接影響。圖中藍色箭頭表示正相關，紅色箭頭表示負相關，箭頭的粗細表示了相關性，虛線為非顯著；與花生產量直接相關的途徑：土壤性質、植物性狀、乙烯含量（綠色填充）。間接相關的途徑為：乙烯通過調控核心微生物來重塑根際微生物群落，由此改善根系土壤有效養分供給，最終促進了花生產量增加（紫色填充），間接途徑彌補了乙烯對植物性質的負作用。

綜上研究結果表明：

花生根部乙烯的產生可由鄰近木薯植株的氰化物產生引發。這種氣體信號改變了花生的微生物組成，並通過改變放線菌門的豐度重新組合了花生的根際微生物共生網絡，放線菌成為間作花生根際的關鍵。重組後的根際微生物群為花生根系提供了更多的有效養分，有利於種子生產。

【結論】

 圖9 花生-木薯間作系統中花生根際微生物群落對土壤有效養分的調節機制

根乙烯具有雙重作用。它在感知來自種間鄰域的生物化學信號中起作用，在調節根際微生物群落中起調節作用，從而通過提高種子產量來增強植物的適生性。研究結果揭示了一種新的植物脅迫信號在重塑根際微生物群落和建立植物-微生物夥伴關係中的作用，從而增強了間作農業生態系統的植物適應性。