微精选

植物根际蕴藏着丰富的微生物群落，其中植物根际促生菌（PGPRs）可以通过增加土壤养分、提高作物抗逆能力以及抵御病害等途径促进农业生产。已有研究表明，植物可以通过根系分泌物来诱导PGPRs的趋化性和生物膜的形成，从而促进植物的生长。因此，探索招募有益微生物的新途径对于提高作物生产力尤为重要。随着纳米技术的快速发展，纳米颗粒在农业领域的应用逐渐受到广泛关注。近年来，土壤中微生物合成的纳米颗粒，尤其是硒纳米颗粒（SeNPs），被发现对作物的生长具有直接或间接的益处。例如，SeNPs能够促进作物的光合作用、增强抗氧化能力、改善根际微环境以及提升作物的抗逆性。然而，目前尚不清楚微生物合成的纳米颗粒是否在调节植物根际微生物群落中发挥作用。此外，植物与微生物之间的相互作用机制极为复杂，目前对其中的级联调控机制仍缺乏深入研究。基于此，该研究假设根际含硒细菌合成的SeNPs可以招募有益微生物，且该过程受多级跨界信号的调控，研究旨在深入解析这一过程的分子机制，以揭示纳米颗粒在植物-微生物互作中的潜在调节作用。

一、根际硒细菌合成的SeNPs可以招募对宿主有益的土壤微生物

作者从含硒地区（中国资阳）玉米根际土壤中分离出1057株细菌，并筛选出13株具有较高硒纳米颗粒（SeNP）形成率的菌株（图1A-B）。其中，菌株ZY104表现出最高的SeNP形成率，浸根接种后，ZY10显著提升了玉米植株的生长性能。同时，玉米根际细菌群落的α多样性显著增加，主坐标分析（PCoA）显示群落结构存在明显差异。此外，在接种处理后，芽孢杆菌属及OTU201分别呈现出最高的相对丰度，并均显示富集趋势。进一步从接种ZY104的玉米植株根际分离出菌株ZY17，其能够产生IAA及ACC脱氨酶，其16S rRNA基因序列与OTU201完全一致，且体外实验结果表明，该菌株可显著促进玉米的生长。体外实验还发现，SeNPs可诱导枯草芽孢杆菌ZY17的趋化性和生物膜形成；而在土壤实验中，SeNPs处理不仅改变了细菌的α多样性和群落组成，还显著提高了芽孢杆菌属的相对丰度及群落功能特性（图1C-D）。作者进一步将不同剂量的SeNPs添加至来自中国南宁、咸阳、成都和喀什的天然土壤中，结果显示所有SeNPs处理组中芽孢杆菌属的丰度均显著富集。为验证SeNP招募微生物对植物生长的促进作用，作者将SeNP处理的土壤微生物组移植至无菌土壤中种植玉米，并发现高剂量SeNPs处理后移植的微生物组使植物生物量显著增加（图1E）。为进一步证实SeNPs通过招募对植物有益的芽孢杆菌来增强植物性能，作者从SeNP处理的土壤中分离出89株PGPR菌株。经过筛选，菌株K122（喀什）、C151（成都）、X9（咸阳）和N18（南宁）显著增加了玉米植株的生物量，其16S rRNA基因序列分别与OTU65、OTU115、OTU134及OTU814显示出高度一致性（图1F）。

图1 根际硒细菌合成的SeNPs招募对宿主有益的土壤微生物 

二、芽孢杆菌是植物-微生物互作中介导硒细菌高效合成SeNPs的关键细菌

图2 芽孢杆菌是诱导植物根系代谢重编程的核心细菌，可促进根际硒细菌有效生物合成SeNPs

三、芽孢杆菌的次级代谢产物组胺是主要的跨界信号，介导硒纳米颗粒的高效生物合成

图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

四、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

图4 根系分泌物中的对香豆酸是植物-微生物相互作用中的一种跨界次级信号，介导根际硒细菌对SeNPs的高效生物合成

五、植物来源的对香豆酸通过上调硒细菌中的RpoS促进硒纳米颗粒的生物合成 

图5 来源于植物的对香豆酸通过上调根际硒细菌中的RpoS蛋白促进SeNPs的高效生物合成

作者进一步开展了室内促生试验，结果表明，相较于野生型菌株，接种 ZY71（ΔrpoS）突变体并不会对玉米幼苗的生长造成影响（图6B）。而盆栽试验结果发现，相较于其他处理，接种ZY71（ΔrpoS）的植株其生物量和枯草芽孢杆菌ZY17的定殖率相对较低（图6C）。此外，将盆栽试验的根际微生物群落接种在生长于灭菌土壤中的玉米植株上，结果发现，在接种ZY71（ΔrpoS）处理的植株根际微生物群落后，玉米植株的生物量是所有处理中最低的（图6C-D）。

图7 细菌-植物跨界信号级联介导的硒细菌高效合成SeNPs促进植物生长的示意图