高R/FR通过根系分泌物刺激的趋化和生物膜形成促进了普城沙雷氏菌A21-4在番茄根系定殖
期刊：Plant Physiology and Biochemistry
IF：6.5
发表时间：2023年11月
研究背景
2023年11月，河南农业大学园艺学院园艺设施结构和环境研究团队在杂志Plant Physiology and Biochemistry上发表了题为“High red/far-red ratio promotes root colonization of A21-4 in tomato by root exudates-stimulated chemotaxis and biofilm formation”的研究论文，青年教师国志信副教授为论文第一作者，硕士生秦艳萍和吕景丽为共同第一作者，该研究通过UPLC-MS/ MS对接种和未接种A21-4的不同红光/远红光（R/FR）比例处理下的番茄幼苗根系分泌物进行代谢组学分析，揭示了高R/FR诱导的根系分泌物在普城沙雷氏菌A21-4的趋化性、生物膜形成和根系定殖过程中起着关键作用。
农业生产是全球粮食供应的主要贡献者，然而农业生产极易受到气候条件变化、非生物和生物胁迫以及土壤质量下降的严重威胁。植物根际促生菌（PGPR）是一类能在植物根际存活和定殖，并具有促进植物生长或防控植物病害能力的有益微生物，应用PGPR可以提高植物对各种生物和非生物胁迫的抗性。普城沙雷氏菌A21-4是从洋葱根际土壤中分离的，对病原菌的拮抗活性高，促生效果显著的优势菌株。然而，目前不同比例R/FR如何影响PGPR在番茄根部的定殖及调控机制仍不清楚。 迈维代谢为该研究提供了初生代谢组检测服务！
取样细则
番茄植株在白光下的霍格兰营养液中生长，直到3叶期。之后将幼苗种植到700毫升的花盆（蛭石：草炭=10：1）中，在低或高R/FR比值光处理下，3天后，每株番茄植株接种浓度为10 cfumL的 A21-4菌液，并以相应体积的蒸馏水作为对照。1天后，将番茄植株取出，用蒸馏水清洗根，最后将幼苗装在4L霍格兰营养液的水培箱中，持续一天以收集根系分泌物。每个处理有5个重复，每个重复包含4株植株。
研究思路
研究结果
1.高R/FR诱导A21-4在番茄幼苗根系定殖和促生
为了探讨光照对A21-4在番茄幼苗中的定殖和促生作用，作者首先比较了在不同R/FR比条件下 A21-4对番茄植株的促生长作用。表型显示 A21-4接种诱导高R/FR光处理的植物鲜重和高度显著增加。然而 A21-4接种未能增加低R/FR光处理幼苗的生长（图1A–C）。与这些变化一致的是，高R/FR光照处理的幼苗在根中保持了高数量的 A21-4，而在低R/FR光处理的幼苗中， A21-4的数量显著减少（图1D）。研究结果表明，R/FR比例在 A21-4在番茄幼苗上的定殖和促生能力中起着关键作用。
图1 R/FR比值对 A21-4在番茄幼苗根系定殖和促进植株生长的影响。(A-D) 不同R/FR光照比处理下接种/未接种A21-4的植物表型、株高、鲜重和根种群密度。
2.不同R/FR光照比处理下接种/未接种 A21-4番茄幼苗根系分泌物的代谢组学分析
鉴于根系分泌物在PGPR根系定殖中的主要作用，作者采用基于HPLC-MS/MS的代谢组分析研究了不同R/FR光照比处理下接种/未接种 A21-4的番茄幼苗根系分泌物。PCA显示H–R/FR，H–R/FR + A21-4 和L-R/FR +A21-4处理组分离明显，说明接种A21-4和R/FR光处理诱导番茄根系分泌物发生显著变化。然而，L-R/FR和L-R/FR+ A21-4处理组的样品有部分重叠，表明在低R/FR比值下，接种 A21-4后，根系分泌物的变化不大（图2A）。为了检测不同R/FR光比下接种 A21-4的番茄幼苗根系分泌物的差异，采用了OPLS-DA分析（图2B)。OPLS-DA模型的交叉验证效果非常好，RX为0.591，RY为0.996，Q为0.926（图2C）。在OPLS-DA分析中，同一处理下的样本明显聚类在一起，不同处理之间的样本明显分离（图2B），说明该模型可以很好地反映不同组的差异，R/FR光比对接种 A21-4后根系分泌物的数量和组成有重要影响。此外，韦恩结果表明，在高R/FR光照下，在高R/FR光照下， A21-4定殖的植株根系分泌物中64种常见差异代谢物的含量高于低R/FR光照处理 A21-4定殖植株的（图3A)。为了清楚地显示在不同R/FR光照比下接种A21-4后根系分泌物的变化，绘制了三张热图可视化有机酸、氨基酸和其他物质（包括糖）的差异变化（图3B–D）。总之，在不同R/FR光照比下，接种 A21-4后根系分泌物的代谢产物发生了明显变化，鉴定的代谢产物可能在高R/FR光诱导的 A21-4对番茄幼苗的定殖和促生中发挥重要作用。
图2 番茄根系分泌物初生代谢组的主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）。
图3 A21-4接种和不同R/FR比对番茄根系分泌物成分影响的韦恩图和热图。
3.A21-4对番茄根系分泌物组分的趋化性
由于氨基酸、有机酸和糖在诱导PGPR的趋化性中起着关键作用，在根系分泌物已鉴定的差异代谢产物中，作者选择了10种显著上调的根系分泌物成分来评估 A21-4的趋化反应。所选根系分泌物组分含有7种氨基酸（L-蛋氨酸、L-亮氨酸、L-谷氨酰胺、L-正亮氨酸、L-异亮氨酸、L-赖氨酸和L-缬氨酸）、2种有机酸（6-氨基己酸和2-吡啶甲酸）和1种糖（D-松三糖）。分别定性（滴板法）和定量（毛细管法）测定了S.plymuthica A21-4对所选根系分泌物成分的趋化反应。结果表明，除2-吡啶甲酸外，其余9种根系分泌物组分均能有效诱导 A21-4的化学引诱活性，与对照组相比，在平板中心形成明显而大的菌环（图4）。 A21-4对所选根系分泌物组分的趋化反应通过毛细管分析得到了进一步的定量证实。在100mM浓度下，L-谷氨酰胺对 A21-4表现出最显著的招募能力，其次是6-氨基己酸、D-松三糖、L-亮氨酸、L-蛋氨酸、L-正亮氨酸、L-异亮氨酸、L-赖氨酸和L-缬氨酸。然而，2-吡啶甲酸的效果与对照组没有什么不同（图5）。综上所述，这些结果表明高R/FR诱导的根系分泌物包括7个氨基酸（L-赖氨酸、L-蛋氨酸、L-谷氨酰胺、L-亮氨酸、L-正亮氨酸、L-异亮氨酸、和L-缬氨酸）、1种有机酸（6-氨基己酸）和1种糖（D-松三糖）能显著诱导 A21-4的趋化反应。
图4 根系分泌物成分对 A21-4定性趋化反应的影响。
图5 根系分泌物成分对 A21-4定量趋化反应的影响。
4.选定的番茄根系分泌物成分影响 A21-4的生物膜形成
为了进一步评估 A21-4对选定的番茄根系分泌物成分的反应，通过结晶紫染色法和OD值测定，对生物膜的形成能力进行了定量和定性分析。结果表明除2-吡啶甲酸外，其余9种根系分泌物组分可以显著刺激 A21-4的生物膜形成。在L-谷氨酰胺、6-氨基己酸、D-松三糖、L-亮氨酸、L-蛋氨酸、L-正亮氨酸、L-异亮氨酸、L-赖氨酸和L-缬氨酸存在下，A21-4的生物膜生物量分别比对照高5.21、5.64、3.21、3.16、3.38、3.05、3.02、2.87和2.73倍。然而与对照相比，2-吡啶甲酸没有显著诱导A21-4的生物膜形成（图6）。这些结果表明，高R/FR诱导的根系分泌物组分，包括7种氨基酸（L-谷氨酰胺、L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-赖氨酸、L-蛋氨酸、L-正亮氨酸和L-缬氨酸）、1种有机酸（6-氨基己酸）和1种糖（D-松三糖）可显著诱导 A21-4生物膜的形成。
图6 根系分泌物成分对 A21-4生物膜形成的影响。
5.选定的番茄根系分泌成分提高了 A21-4的根系定殖和促生能力
为了解在低R/FR光处理植株中， A21-4根系定殖和促生能力降低是否由于番茄根系分泌物产量下调进一步抑制了趋化性和生物膜的形成，作者假设外源性番茄根系分泌物成分的预处理可以挽救低R/FR光对A21-4的定殖和促生的抑制作用。为了验证这个假设，作者在接种A21-4之前，分别用100 mM根系分泌物成分（L-亮氨酸、L-蛋氨酸、L-谷氨酰胺、6-氨基己酸和D-松三糖），分别处理低和高R/FR光照处理的植物根系12小时。发现 A21-4接种后，低R/FR光处理下根系分泌物预处理的植株，植株高度和鲜重比对照和A21-4处理植株显著增加。此外，与仅接种A21-4的植物相比，添加100mM L-亮氨酸、L-蛋氨酸、L-谷氨酰胺、6-氨基己酸和D-松三糖进一步显著提高了R/FR光处理植物的株高和鲜重（图7）。与促生长作用一致的是，与 A21-4处理相比，根系分泌物预处理显著增加了 A21-4在高和低R/FR光处理植物根系中的定殖密度，这证实了番茄根系分泌物成分在刺激 A21-4根系定殖中的作用（图8）。该研究结果有力地证明了高R/FR光诱导的根系分泌物成分，包括L-亮氨酸、L-蛋氨酸、L-谷氨酰胺、6-氨基己酸和D-松三糖，对于 A21-4在番茄幼苗上的根系定殖是必需的。
图7 不同R/FR条件下，根系分泌物成分对 A21-4促生长作用的影响。
图8 不同R/FR条件下，根系分泌物成分对 A21-4根系定殖的影响。
迈维小结
该研究利用UPLC-MS/MS对接种和未接种A21-4的不同R/FR比例处理下的番茄幼苗根系分泌物进行代谢组学分析，结果表明，高R/FR比例下有64种初生代谢物含量显著高于低R/FR处理下的根系分泌物组分。与对照相比，7种氨基酸、1种有机酸和1种糖能明显诱导 A21-4的趋化性和生物膜形成。重要的是，外源添加5种根系分泌物成分(L-亮氨酸、L-蛋氨酸、L-谷氨酰胺、6-氨基己酸和D-松三糖)可以分别恢复和进一步提高 A21-4在低R/FR和高R/FR下在番茄根部的定殖能力和促生能力。该研究为后期在生产上推广低耗能LED补光和促生菌联合应用及利用根系分泌物增强促生菌定殖能力，进而调控作物生长和抗逆性提供了新思路。
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