Cell Host & Microbe | 西北农林科技大学团队揭示硒纳米颗粒招募有益土壤微生物促进植物生长机制

植物根际促生菌（PGPRs）的成功定殖是其发挥多种有益功能的先决条件，近年来，植物根系分泌物介导的PGPRs定殖得到了广泛的研究，然而硒纳米颗粒（SeNPs）招募PGPRs的新途径及其作用机理机制仍有待挖掘。 本月18号西北农林科技大学资源环境学院来航线教授团队在Cell Host & Microbe期刊上发表名为“Harnessing biosynthesized selenium nanoparticles for recruitment of beneficial soil microbes to plant roots”的研究论文，发现硒细菌合成的生物硒纳米颗粒（SeNPs）能够以剂量依赖的方式诱导PGPRs的趋化性和生物膜形成，并通过硒细菌合成群体实验、多组学（16S+代谢组+转录组）及基因敲除验证，阐明了一个跨界的信号传递链：特定硒细菌（如芽孢杆菌）——产生的组胺信号分子激发了宿主植物根部释放对香豆酸——激活某些硒细菌（如假单胞菌）中的rpoS基因，促进了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，为精准调控植物相关微生物群落提出了创新策略。    


  根际土壤样品，细菌，细菌培养基上清，玉米植物根系分泌物


  步骤1：发现含硒细菌中生物合成的SeNPs可招募宿主有益微生物 步骤2：寻找介导SeNPs高效生物合成的核心细菌 步骤3：探究核心细菌具体通过什么来诱导植物根部代谢重编程 步骤4：探索植物根部是通过什么物质来调控硒细菌有效生物合成SeNPs 步骤5：揭示根际硒细菌如何上调SeNPs生物合成以响应对香豆酸信号的机制
    1. 证明含硒细菌中生物合成的SeNPs可招募宿主有益微生物 从含硒地区玉米根际土壤中回收细菌分离株，发现ZY104（SeNPs形成率最高）增强天然含硒土壤上植株性能；PCoA显示ZY104接种和未接种组之间根际细菌组成存在差异；并且SeNPs的添加以剂量依赖性诱导PGPRs趋化性和生物膜形成。将SeNPs处理的土壤微生物组移植到种植玉米的无菌土壤中，观察到较高剂量SeNPs处理后，植物的茎干重、根干重和叶面积更大，并且这种植物性能的提高是通过SeNPs招募有益芽孢杆菌来实现的。 图1 根际硒细菌合成SeNPs招募对宿主有益的土壤微生物   2. 证明芽孢杆菌是植物与微生物相互作用的核心细菌，介导SeNPs的高效生物合成 利用根际硒细菌构建合成微生物群落（SynComs），探索硒菌在植物-微生物系统中介导SeNPs高效合成机制，发现硒细菌不是通过相互作用来影响SynComs形成SeNPs，而是通过植物根系分泌物，具体：B. albus ZY519，作为核心细菌刺激植物根部代谢重编程，从而特异性上调根际硒细菌对SeNPs的生物合成。 图2 芽孢杆菌是诱导植物根代谢重编程以促进根际硒细菌高效合成SeNPs的核心细菌   3. 芽孢杆菌源性组胺是介导SeNPs有效生物合成的初级跨界信号 研究者继续探讨ZY519具体通过什么来诱导植物根部代谢重编程。通过非靶代谢组发现芽孢杆菌产生的信号代谢物是组胺。并通过体外测定添加组胺刺激的根分泌物后SeNPs形成率，以及构建了组胺生物合成基因组氨酸脱羧酶（hdc）缺失以及增强菌株，证明组胺作为植物-微生物相互作用中初级跨界信号，介导根际含硒细菌有效生物合成SeNPs。 图3 芽孢杆菌产生的组胺是植物与微生物相互作用中初级跨界信号，介导根际硒细菌SeNPs有效生物合成   4. 根源性对香豆酸是介导SeNPs有效生物合成的次级跨界信号 研究者进一步探究植物根部是通过什么物质来调控硒细菌有效生物合成SeNPs。通过植物根系分泌物代谢组研究发现对香豆酸和衍生物在组胺处理和ZY519接种组中丰度较高，且根据 Mantel test发现对香豆酸及其衍生物的相对丰度与代表性菌株SeNPs形成率显着相关。然后也通过对体外SeNPs生物合成效率的影响，以及构建芽孢杆菌突变体等证实对香豆酸可作为次级跨界信号刺激根际硒细菌有效生物合成SeNPs。 图4 根分泌物对香豆酸是植物与微生物相互作用中的次级跨界信号，介导根际硒细菌对SeNPs有效生物合成   5. 植物来源的对香豆酸通过上调硒细菌中的RpoS促进 SeNP的生物合成 最后研究根际硒细菌如何上调SeNPs生物合成以响应对香豆酸信号的机制。由于ZY71（假单胞菌）与其他代表性菌株相比，其由对香豆酸诱导的SeNPs形成率更高，因此重点关注假单胞菌。 转录数据显示对香豆酸改变了假单胞菌的转录谱，找到了核心基因rpoS，并通过rpoS敲除等验证其是正调节硒细菌中SeNPs生物合成的关键基因，以响应植物来源的对香豆酸。结果表明，根分泌物对香豆酸介导假单胞菌以rpoS依赖的方式有效生物合成SeNPs。  图5 植物源的对香豆酸通过上调根际硒细菌的RpoS促进SeNPs的有效生物合成


  本文通过根际土壤微生物组，细菌代谢组，植物根际分泌物代谢组，细菌转录组，揭示了根际硒细菌合成硒纳米颗粒（SeNPs）过程中，特定微生物与植物代谢产物间复杂的跨界信号传递机制。
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