PLOS Biology | 植物根際微生物對(duì)生長(zhǎng)素的分解代謝
生長(zhǎng)素(auxins)是植物體內(nèi)一類重要的激素,廣泛參與調(diào)控植物的生長(zhǎng)、發(fā)育及應(yīng)答外部環(huán)境的變化。生長(zhǎng)素的研究始于19世紀(jì)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(zhǎng)素分子,IAA在植物中含量最為豐富,并在植物的多個(gè)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用,包括細(xì)胞分裂、根系發(fā)育、細(xì)胞壁擴(kuò)展、維管束模式形成以及開(kāi)花等生理過(guò)程。
12月10日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成微生物組學(xué)研究中心、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院戴磊課題組在PLOS?Biology上發(fā)表了植物根際細(xì)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(tuán)隊(duì)結(jié)合基因組學(xué)分析和體外實(shí)驗(yàn)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(xì)菌對(duì)IAA降解的能力,并通過(guò)接種植物實(shí)驗(yàn),探究了這些IAA降解菌的生物學(xué)意義。
研究結(jié)果揭示了根際微生物代謝對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的潛在影響,對(duì)于理解共生微生物與宿主互作機(jī)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(xué)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(xué)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(bào)道貪嗜菌屬(Variovorax)是植物微生物群落中的核心成員,通過(guò)降解IAA調(diào)控植物激素水平來(lái)平衡菌群對(duì)根系生長(zhǎng)的影響。
據(jù)報(bào)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(duì)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(jī)制,以及它們?cè)诟H環(huán)境中扮演的角色還有待我們做進(jìn)一步的研究。對(duì)于這些知識(shí)的理解將對(duì)我們開(kāi)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(wèn)題,研究團(tuán)隊(duì)首先運(yùn)用比較基因組學(xué)與體外降解實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,系統(tǒng)性評(píng)估了從擬南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)根部分離的183株細(xì)菌的IAA代謝能力。最終鑒定出來(lái)自7個(gè)屬的共21株細(xì)菌具有IAA降解活性,其中包括之前未被報(bào)道過(guò)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(xì)菌菌株的進(jìn)化關(guān)系以及IAA降解功能預(yù)測(cè)、代謝檢測(cè)。
這些IAA降解菌株的基因組中,負(fù)責(zé)降解IAA的代謝基因簇為iac-like operon或iad-like operon(圖2),通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)這些基因簇的表達(dá)受IAA誘導(dǎo)。值得注意的是,這些基因簇普遍受到一種在種間結(jié)構(gòu)高度保守的調(diào)控子MarR(Multiple Antibiotic Resistance Regulator)的調(diào)控。

圖2. IAA降解相關(guān)基因簇的特征。
接著,研究團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,部分IAA降解菌株可以緩解環(huán)境中過(guò)高濃度IAA所引起的植物主根生長(zhǎng)抑制現(xiàn)象(圖3)。由此推斷IAA降解菌在維持植物根際生長(zhǎng)素濃度穩(wěn)態(tài)方面可能有重要貢獻(xiàn),暗示IAA降解菌在根際微環(huán)境中對(duì)宿主植物的生長(zhǎng)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(dǎo)的主根生長(zhǎng)抑制現(xiàn)象。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(biāo)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(zhì)邁向植物體,并進(jìn)一步由植物地上部分向根部逐漸增強(qiáng)的定殖偏好性趨勢(shì)(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(guān)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(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目,以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的資助。
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