如何开启一篇高分植物-微生物互作研究？

已有多种研究表明，植物对微生物募集是随机性和确定性的混合，前者在很大程度上由竞争塑造，后者更易受宿主的基因型影响。建立涉及宿主基因、代谢物和根际微生物的综合网络对彻底了解植物-微生物相互作用至关重要。 如何开启一篇高分的植物-微生物互作研究呢？


   一.组学选择

1. 功能基因表达检测方案：
   转录组或qRT-PCR获得植物根部基因的差异表达，刻画植物基因型差异对微生物的差异性招募；
2. 代谢物检测方案：
   刻画功能基因的差异代谢产物对微生物的差异性招募；
   ①非靶代谢组：全面检测植物组织或土壤中的代谢物，后续需要对目标代谢物二次验证；
   ②植物高通量靶向代谢组：聚焦于植物常见和特异性分泌的初生和次生代谢物，采用标准品一对一靶向检测方法检索植物相关代谢产物，无非靶代谢的假阳性和动物特异性代谢物干扰。检测结果无需验证，获得每种物质的准确含量（绝对含量）。
3. 微生物检测方案：
   ①16S rRNA测序：聚焦于样本中细菌鉴定。利用细菌保守区设计通用引物进行目的片段的扩增，对高变区的分析辨别细菌种类，从而获得样本中的细菌种类和丰度信息。
   ② ITS测序：Internal Transcribed Spacer，聚焦环境中真菌的鉴定。通过测序得到的ITS序列与已知真菌的ITS序列进行比对，从而获得样本中的真菌种类和丰度信息；
   ③ 宏基因组测序：聚焦于样本中微生物基因组总合，可获得微生物的种类和功能信息，了解差异表达的物种及其具备的生物学功能。实现从物种丰度和物种功能两个角度与其它组学关联分析，挖掘“微生物-宿主”互作机制；

   二.关联分析方案


   三.参考案例 案例1. 转录组+代谢组+16S rRNA揭示杨树根系分泌黄酮招募根际假单胞菌促进其氮素利用和次生根系生长 文章题目：Flavones enrich rhizosphere Pseudomonas to enhance nitrogen utilization and secondary root growth in Populus
发表时间：2025年2月 影响因子：15.7 发表单位：北京林业大学 研究内容：植物根际募集的微生物受植物本身基因型和功能基因表达的代谢产物的影响。作者以杨树为材料，收集包含四大派系（白杨派、黑杨派、青杨派、胡杨派）的九种杨树根进行转录组和代谢组检测，根际土和散落土用于16S rRNA测序。多组学数据分析发现：杨树生长和次生根发展受其根际微生物群落影响，机制表现为：在氮不足环境下，相比于生长较差的胡杨派，白杨派根系组织中PopGL3（属bHLH转录因子家族）和查尔酮合酶（PopCHS4）的转录激活可促进类黄酮分泌，进而招募土壤中的假单胞菌在杨树根部定植，从而改变根际微生物群落组成。假单胞菌通过分泌生长素IAA，可诱导次生根形成，间接促进植物生长和氮素吸收，并通过生物固氮直接促进植物生长和氮素吸收。菌群趋化实验、DAP-seq、生物量指标测定、单菌定植等再次验证该结果的准确性。 图1 缺氮环境下白杨派植株根系通过重塑根际微生物群落以直接和间接的方式促进自身生长   案例2. 16S rRNA+宏基因组+ITS+单菌基因组测序+次生代谢组揭示干旱诱导的植物微生物和代谢物改变可提高小麦抗旱性 文章题目：Drought-induced plant microbiome and metab-olic enrichments improve drought resistance
发表时间：2025年6月 影响因子：18.7 发表单位：西悉尼大学 研究内容：植物-微生物组相互作用在维持植物在逆境条件下的健康与生产力中具有关键作用。该文以干旱，正常环境下种植的小麦根组织、根际土壤、根远端土壤为材料进行16S rRNA、宏基因组测序和代谢组检测，发现干旱条件下小麦根部微生物定殖能力增强，尤其是链霉菌（Streptomyces coeruleorubidus）和长野雷夫松氏菌（Leifsonia shinshuensis）。根际土壤的次生代谢组表明，4-氧脯氨酸被显著富集且通过根际代谢产物-细菌群落-微生物功能基因相关性分析发现4-氧脯氨酸与链霉菌存在显著正相关。其高表达又潜在吸引了链霉菌富集。链霉菌和长野雷夫松氏菌回补实验，发现仅有链霉菌回补可在干旱胁迫下增加小麦地上部生物量和叶片气孔密度，且在小麦根部表面有大量的链霉菌定植。同时，干旱相关基因（TaCHLD）在小麦叶片中的丰度显著高于正常条件下种植的小麦。 图2 干旱条件下小麦根部分泌的4-氧脯氨酸可招募链霉菌富集增加小麦抗旱性   案例3. 16SrRNA+宏基因组+宏转录组+单菌基因组测序+非靶代谢组揭示嘌呤类物质富集根系相关假单胞菌并改善盐胁迫下大豆生长 文章题目：Purines enrich root-associated Pseudomonas and improve wild soybean growth under salt stress
发表时间：2024年4月 影响因子：15.7 发表单位：中国农业科学院烟草研究所 研究内容：盐胁迫是最常见环境胁迫之一，耐盐植物已进化出多种耐盐策略，而盐胁迫下植物与微生物群之间的互作机制研究仍存在不足。该研究使用对照组和3种NaCl浓度处理的土壤种植野生大豆，并在胁迫后1，7，14天取根系、根际土、散装土进行16S rRNA和宏基因组测序，发现在不同盐胁迫处理下根际土的微生物组成差异最大，其中假单胞菌在根系和根际样品中丰度最高。分离假单胞菌并回补至盐胁迫的野生大豆种子种植土中，可改善根系与地上部长度和鲜重。结合宏基因组和根际土壤转录组数据发现，与“细胞运动、生物发生、运输和代谢”相关的微生物群在盐胁迫条件下显著富集。根系土壤代谢组发现，在盐胁迫处理下，黄嘌呤显著富集并与假单胞菌丰度存在显著正相关。回补黄嘌呤至天然土壤中种植的野生大豆幼苗，可增加幼苗根系与根际土壤中的假单胞菌丰度，两者共同促进植物生长。代谢物-菌株趋化性实验验证上述现象。 图3 盐胁迫下植物根系分泌的黄嘌呤可招募土壤中的假单胞菌以趋化运动向根际移动   案例4. 16S rRNA+单菌基因组+转录组+代谢组揭示内酯酶BxdA如何介导玉米根系细菌代谢苯并噁嗪类化合物重塑根系代谢环境 文章题目：The lactonase BxdA mediates metabolic speci-alisation of maize root bacteria to benzoxazinoids
发表时间：2024年8月 影响因子：15.7 发表单位：伯尔尼大学 研究内容：根系分泌物中含有特异性代谢物可塑造植物的根系微生物群组成。宿主特异性微生物如何应对这些代谢物，以及这种能力如何影响根部微生物群仍是未知的。该研究聚焦玉米根系细菌如何代谢苯并噁嗪类化合物，证明植物特异性代谢物会选择具有代谢能力的根系细菌。具体表现为：玉米根系细菌培养基代谢组和菌株分离培养，表明微杆菌属（Microbacterium）、污物假节杆菌（Pseudoarthrobacter）、鞘氨醇单胞菌（Sphingobium）、肠杆菌属（Enterobacter）可以以化合物MBOA为碳源，转化为AMPO（2-氨基-7-甲氧基-苯恶嗪-3-酮）。细菌转录组数据进一步表明，细菌的同源bxdA基因可编码一种内酯酶，在宿主体外将MBOA转化为AMPO。当bxdA基因缺失时，无法形成AMPO，也无法使用MBOA作为碳源。整体结果表明：植物特异性代谢物会选择具有代谢能力的根系菌，重塑植物根系代谢环境。 图4 细菌的BxdA基因在体外将MBOA转化为AMPO   案例5. 16S rRNA+ITS+代谢组揭示微生物可定植重塑杨树根分泌物、根、芽的代谢组成和含量 文章题目：Microbial colonisation rewires the composition and content of poplar root exudates, root and shoot metabolomes
发表时间：2024年9月 影响因子：15.7 发表单位：洛林大学 研究内容：根系分泌物可招募特有菌群定植至根系辅助植物生长抗逆，而微生物群的定植是否会重塑植物根系或地上部组织部位的代谢成分，目前相关研究仍存在不足。该研究收集杨树扦插培育的根际、根系和地上部、散装土壤采样，利用16S rRNA和ITS测序发现根和枝的微生物定植表现出随种植时间的动态反应，最初涉及腐生微生物，后来转变为内生菌和共生体。在根际和根系的较早时间点，地上部微生物群的主要成分也可见，表明土壤是地上部微生物群的主要来源。代谢组结果表明，微生物定植会快速重塑根系分泌物的代谢组成。相比于自然土壤，无菌土培育的杨树根系、根系分泌物和地上部组织中鉴定出更多的代谢物，尤其是脂质相关代谢物和防御化合物丰度显著增加。微生物-代谢组关联分析结果表明，随着扦插时间的推移，根系分泌物与微生物群落间存在显著相关性。 图5 杨树插条生长30天后，微生物对根分泌物、根和地上部代谢物组成和丰度的影响


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