作者：彭海英，南京农业大学博士在读，主要研究土壤微生物互作改善植物铁营养。
植物生长行为受遗传网络与根际微生物组的协同调控，其中，根际微生物组的组成对根系分泌物高度敏感，呈现动态响应特征。逆境胁迫下，植物可以通过“呼救”策略募集有益菌群。然而，宿主基因如何调控代谢物介导的微生物互作以增强非生物胁迫抗性（如低氮条件）仍不明确。本研究收集了白杨派(Leuce)、黑杨派(Aigeiros)、青杨派(Tacamahaca)和胡杨派(Turanga)四大派9种杨树的根系和根际土，获得了根系代谢组和转录组、根际微生物组，并进行了全面的多组学分析。结果表明，生长优势显著的白杨组根系富集假单胞菌（Pseudomonas），其丰度与苜蓿素（Tricin）和芹菜素（Apigenin）的生物合成密切相关。转录因子PopGL3通过调控苜蓿素合成关键基因（如PopCHS4）的表达，驱动根系分泌苜蓿素以招募假单胞菌定殖。并通过分泌IAA激活次生根发育通路（PLT3/PLT5/PLT7），最终提升植株在贫氮土壤中的氮吸收与生长效率。本研究揭示了植物代谢物-微生物调控模式对杨树适应性的贡献，并解析了苜蓿素合成分泌的关键调控机制，阐明了黄酮类物质介导的植物-微生物互作新模式，为研究植物“生态基因”与代谢物和根际微生物的相互作用提供了新的思路。
一、土壤微生物群落促进杨树生长
在低氮混合土壤中培养来自4个品系（Leuce、Aigeiros、Tacamahaca和Turanga）的9个代表性杨树品种三个月后，检测了杨树的11种生长表型，结果显示白杨组（Leuce）生物量最高，胡杨组（Turanga）最低（补充图1）。土壤移植实验显示，将生长较差的胡杨（Peu-H）移植至生长旺盛的白杨（LM50）根际土壤后，其地上生物量显著增加27.22%；反之，LM50移植至Peu-H根际土壤后生物量下降19.58%。在无菌土壤中，LM50与Peu-H的地上部生物量差异仅7.37g，而在非灭菌土壤中差异扩大至8.29-10.26g（图1A、B）。这些结果表明，植物相关微生物群对杨树生长有积极影响，这种影响的程度取决于植物基因型。具体而言，强型基因型塑造的土壤微生物群落更有利于植物生长，而弱型基因型招募的土壤微生物群落促进作用较弱。
二、杨树基因型对根际微生物组成的影响
通过16S rRNA测序分析了九种杨树在两类土壤中的细菌群落组成。结果显示，各组间根际微生物香农多样性指数差异显著，胡杨组最高，白杨组根际微生物多样性最低（补充图3A），非根际土壤样本间无显著差异。LEfSe分析显示，四组杨树根际微生物组成差异主要由22个特定细菌门的相对丰度变化驱动。在属水平上，胡杨、黑杨、青杨和白杨组分别鉴定出109、90、45和37个标志性菌属（图1C）。值得注意的是，Leuce组中37个标志性菌属占相对丰度的41.15%，其中假单胞菌属（Pseudomonas）丰度最高（13.77%）。综上，杨树基因型通过选择特定微生物类群，塑造了根系细菌群落的组成。
图1 杨树根际招募的特定微生物类群与植物性能相关
三、根际微生物组成与基因表达、黄酮类化合物积累和杨树生长性能一致
图2 转录组、代谢组与微生物组的共表达网络
图3 基因表达与黄酮积累和根际微生物组成及杨树生长性能的关系
四、黄酮介导的假单胞菌促进氮吸收与次生根生长
从Leuce组杨树的根际土壤中分离出11株假单胞菌，在5μM苜蓿素（Tricin）或100μM芹菜素（Apigenin）处理下，菌株Pto1、Pto5和Pto10的群集运动能力显著增强（图4A）。qPCR分析表明，鞭毛（motA、fliG、bifA）及生物膜形成基因algU的表达显著上调（图4B）。分别接种三株单菌（Pto1、Pto5、Pto10）及其合成群落（SynComs），并利用15N同位素标记追踪植物氮源。结果显示，接种各菌株显著提高杨树（84K）的地上部生物量（26.04%–48.03%）、根系生物量（57.51%–81.46%）及叶片氮含量（7.98%–10.15%）（图4C、D）。在无菌低氮培养基中，接种Pto1使杨树次生根（SRs）数量与长度分别增加9.92倍和2.88倍（图4E、F）。然而，在氮充足条件下，Pto1对生长及次生根的促进作用显著减弱（图4F），表明假单胞菌的功能依赖于植物对氮饥饿信号的特异性响应。
五、Pto1通过分泌IAA诱导拟南芥中由PLT3、PLT5、PLT7介导的侧根形成途径
在接种Pto1的plt3plt5plt7三突变体（侧根形成受损）中，7天后没有观察到可见的SR（图4H、I）。相反，wox11wox12双突变体（不定根和不定根形成缺陷）表现出SR数量的显著增加，这与野生型根在接种Pto1后所观察到的增加相当。当向培养基中外源添加IAA时，拟南芥根的发育模式类似于接种Pto1后的结果。然而，无论是否接种Pto1，添加生长素抑制剂2,3,5-三碘苯甲酸（TIBA）在所有拟南芥株系中都阻碍了SR的生长。这些结果表明，Pto1分泌的IAA在诱导拟南芥中由PLT3/PLT5/PLT7介导的侧根途径中起着关键作用。
图4 黄酮介导的假单胞菌促进杨树氮吸收与次生根生长
六、PopGL3调控苜蓿素生物合成以招募假单胞菌
通过DAP-seq实验发现，转录因子PopGL3直接调控黄酮合成基因（如PopF3’H、PopCHS4）的转录，这些基因参与黄酮类的合成（图5A-C）。PopGL3或PopCHS4的组成型表达可以激活PopF3’H和黄酮合成酶（PopFNS）的转录，并在PopCHS4-OE（查尔酮合成酶）和PopGL3-OE株系（图5E、F）的根际释放更多的苜蓿素，假单胞菌定殖丰度显著升高，并促进植物生物量及氮吸收。在天然土壤混合物(低氮；少量15N标记的硝酸铵处理下，PopGL3-OE和PopCHS4-OE植株生物量和叶片氮积累量显著增加(图5D、G)。与野生型相比，转基因植物根系微生物对BNF的贡献增加。相反，所有基因型在无菌土壤中生长较弱，生物量产量无差异。扩增子分析结果表明，转基因植株（PopGL3-OE和PopCHS4-OE）改变了根际微生物组成，显著富集假单胞菌(图5H、I)。
图5 PopGL3调控苜蓿素合成以招募假单胞菌
为了确认转基因植物中假单胞菌根定殖的增加，将Pto1与红色荧光蛋白（RFP）基因标记，共聚焦显微镜下观察不同基因型根组织的定殖情况。发现PopGL3-OE和PopCHS4-OE植物的根部定殖显著增强，荧光密度增加（图6A–B）。此外，菌落形成单位（CFUs）统计结果进一步证实了这一结论（图6C）。总之，作为黄酮类生物合成调节因子的PopGL3，通过分泌苜蓿素招募假单胞菌，以促进杨树的生长和氮吸收。
本研究提出一种基因型驱动的适应性反馈模型：在低氮土壤中，强基因型杨树根系分泌黄酮（如苜蓿素），招募假单胞菌定殖根际。假单胞菌通过分泌IAA诱导PLT3/PLT5/PLT7介导的侧根发育途径，同时通过生物固氮（BNF）直接促进植物生长与氮吸收。转录因子PopGL3通过调控黄酮合成基因（如PopF3’H、PopPA2）高表达驱动这一过程。这种“马太效应”（强者愈强）表明，植物基因型通过代谢物调控微生物群落，进而放大自身适应性差异。未来基于该网络可精准设计合成微生物群落（SynComs），通过工程化调控黄酮代谢或靶向引入功能菌株，优化植物-微生物互作效率，为提升农林作物在贫瘠土壤中的抗逆性与生产力提供新策略。
论文信息
原名：Flavones enrich rhizosphere Pseudomonas to enhance nitrogen utilization and secondary root growth in Populus
译名：黄酮类化合物募集假单胞菌，促进胡杨氮素利用和次生根生长
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-025-56226-w
发表时间：2025年2月
通讯作者：张德强、谢剑波
通讯作者单位：北京林业大学生物科学与技术学院