PLOS Biology | 植物根際微生物對生長素的分解代謝
生長素(auxins)是植物體內(nèi)一類重要的激素,廣泛參與調控植物的生長、發(fā)育及應答外部環(huán)境的變化。生長素的研究始于19世紀末,是最早被發(fā)現(xiàn)的植物激素之一。作為主要的天然生長素分子,IAA在植物中含量最為豐富,并在植物的多個發(fā)育過程中發(fā)揮關鍵作用,包括細胞分裂、根系發(fā)育、細胞壁擴展、維管束模式形成以及開花等生理過程。
12月10日,中國科學院深圳先進技術研究院合成微生物組學研究中心、深圳合成生物學創(chuàng)新研究院戴磊課題組在PLOS?Biology上發(fā)表了植物根際細菌降解吲哚-3-乙酸(IAA)的研究成果,題為“Systematic characterization of plant-associated bacteria that can degrade indole-3-acetic acid”。該團隊結合基因組學分析和體外實驗的手段,系統(tǒng)性研究了從擬南芥和水稻根際分離培養(yǎng)的183株細菌對IAA降解的能力,并通過接種植物實驗,探究了這些IAA降解菌的生物學意義。
研究結果揭示了根際微生物代謝對植物生長發(fā)育過程的潛在影響,對于理解共生微生物與宿主互作機制具有重要意義。戴磊課題組的助理研究員王蘭香博士、客座學生劉月、研究助理倪浩然為論文共同第一作者,戴磊研究員和貴州大學陳沫先教授為文章共同通訊作者。

文章上線截圖
除了植物本身,與植物共生的微生物群落中的一些成員也能夠合成或降解IAA,并以此影響與植物宿主的相互作用。例如有研究報道貪嗜菌屬(Variovorax)是植物微生物群落中的核心成員,通過降解IAA調控植物激素水平來平衡菌群對根系生長的影響。
據(jù)報道,80%的植物根際共生菌可合成IAA,這一小分子化合物有助于微生物在根系上的定殖。然而對于根際環(huán)境中,具有降解IAA能力的微生物有多少?它們降解IAA分子機制,以及它們在根際環(huán)境中扮演的角色還有待我們做進一步的研究。對于這些知識的理解將對我們開發(fā)更具抗逆性和高生產(chǎn)力的作物提供一種有前景的生態(tài)策略。
基于這些研究問題,研究團隊首先運用比較基因組學與體外降解實驗相結合的方法,系統(tǒng)性評估了從擬南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)根部分離的183株細菌的IAA代謝能力。最終鑒定出來自7個屬的共21株細菌具有IAA降解活性,其中包括之前未被報道過的新菌屬(圖1)。

圖1. 本研究用到的183株擬南芥和水稻根際共生細菌菌株的進化關系以及IAA降解功能預測、代謝檢測。
這些IAA降解菌株的基因組中,負責降解IAA的代謝基因簇為iac-like operon或iad-like operon(圖2),通過轉錄組分析發(fā)現(xiàn)這些基因簇的表達受IAA誘導。值得注意的是,這些基因簇普遍受到一種在種間結構高度保守的調控子MarR(Multiple Antibiotic Resistance Regulator)的調控。

圖2. IAA降解相關基因簇的特征。
接著,研究團隊發(fā)現(xiàn)部分IAA降解菌株可將IAA作為碳源使用。接種植物實驗的結果表明,部分IAA降解菌株可以緩解環(huán)境中過高濃度IAA所引起的植物主根生長抑制現(xiàn)象(圖3)。由此推斷IAA降解菌在維持植物根際生長素濃度穩(wěn)態(tài)方面可能有重要貢獻,暗示IAA降解菌在根際微環(huán)境中對宿主植物的生長發(fā)育具有重要作用。

圖3. IAA降解菌可利用IAA并抑制IAA誘導的主根生長抑制現(xiàn)象。
研究團隊通過整合分析從不同生態(tài)環(huán)境收集的宏基因組裝基因組(MAGs)及微生物分離株全基因組序列(WGS)中生物標志基因出現(xiàn)的頻率,觀察到IAA降解菌從水生環(huán)境到陸地環(huán)境,從土壤基質邁向植物體,并進一步由植物地上部分向根部逐漸增強的定殖偏好性趨勢(圖4),表明IAA降解菌與IAA生產(chǎn)者(包括植物與IAA合成微生物)之間可能存在密切的關聯(lián)。

圖4. IAA降解菌在不同棲息地中的分布。
該工作得到了國家自然科學基金國際(地區(qū))合作與交流項目、廣東省自然科學基金等項目,以及深圳合成生物學創(chuàng)新研究院的資助。
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