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Nature:Jeff Dangl团队揭示贪噬菌属在微生物组中维持根的生长

已有 7032 次阅读 2020-10-8 10:15 |个人分类:读文献|系统分类:科研笔记

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单一细菌属在一个复杂的微生物组中维持根的生长

A single bacterial genus maintains root growth in a complex microbiome

Nature [IF: 42.778]

DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2778-7

发表日期:2020-09-30

第一作者:Omri M. Finkel1,2,9,12, Isai Salas-González1,2,3,12, Gabriel Castrillo1,2,10,12, Jonathan M. Conway1,2,12

通讯作者:Jeffery L. Dangl(dangl@email.unc.edu)1,2,3,6,7,8

合作作者: Theresa F. Law, Paulo José Pereira Lima Teixeira, Ellie D. Wilson, Connor R. Fitzpatrick, Corbin D. Jones

主要单位:

1美国北卡罗来纳大学教堂山分校生物学系(Department of Biology, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC, USA)

2美国北卡罗来纳大学霍华德·休斯医学院(Howard Hughes Medical Institute, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC, USA)

3北卡罗来纳大学教堂山分校生物信息学与计算生物学课程(Curriculum in Bioinformatics and Computational Biology, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC, USA)

6美国北卡罗来纳大学教堂山分校卡罗莱纳州基因组科学中心(Carolina Center for Genome Sciences, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC, USA)

7美国北卡罗来纳大学教堂山分校遗传与分子生物学课程(Curriculum in Genetics and Molecular Biology, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC, USA)

8美国北卡罗来纳大学教堂山分校微生物学和免疫学系(Department of Microbiology and Immunology, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC, USA)

9现地址:以色列耶路撒冷希伯来大学生命科学研究所植物与环境科学系(Present address: Department of Plant and Environmental Sciences, Institute of Life Science, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, Israel)

10现地址:英国萨顿伯宁顿诺丁汉大学生物科学学院(Present address: Future Food Beacon of Excellence, School of Biosciences, University of Nottingham, Sutton Bonington, UK)

写在前面

分享标题:Nature:Jeff Dangl团队揭示单一细菌属在复杂的微生物组中维持根的生长

关键字:根际、互作网络、贪噬菌属(Variovorax)、生长素浓度、植物根系健康、关键功能位点

点评:复杂的土壤环境中主要包括植物根系组织、非生物环境因素和丰富的微生物群落三方,其中微生物群落根据与植物的关系又分为有益菌和有害菌,这些菌落会随着根际环境的变化调整与宿主的关系,甚至与其它菌落的相互作用,进而影响植物的健康。微生物群落发挥作用可以是直接的分子互作,也可以通过次级代谢产物或信号分子进行调控,例如生长素。由于复杂的土壤环境,多数微生物种群的功能研究起来比较困难,很多隐藏的分子机制也未可知。2020年9月30日,美国北卡罗来纳大学教堂山分校植物免疫学专家Jeffery L. Dangl教授团队在Nature上发表了题为A single bacterial genus maintains root growth in a complex microbiome的研究论文。该研究经过大规模筛选和功能验证,确定了根际环境贪噬菌属(Variovorax)在植物-微生物-微生物互作网络中的核心地位,并且发现了其调控生长素浓度维持植物根系健康的分子机制,鉴定到广泛分布于其基因组的关键功能位点,加深了我们对根际复杂互作网络的认识,研究结果为开发抗逆、高产作物提供了一种潜在的新策略。

摘要

植物生长在各自相互影响并与其它植物相互作用的复杂物种网络中。这些相互作用受各种化学信号的支配,由此产生的根际化学谱强烈地影响根系的健康和发育。在这里,为了解微生物之间的相互作用如何影响拟南芥的根生长,我们建立了植物,微生物与环境之间相互作用的模型系统。我们用一个有185个成员的细菌组成的合成群落接种幼苗,操纵了非生物环境并测量植物的细菌定殖。这使我们能够将合成群落分为共生菌株的四个模块。我们在这些模块的基础上解构了合成群落,并确定了决定根表型的微生物之间的相互作用。这些相互作用主要涉及单个细菌属——贪噬菌属(Variovorax),它完全逆转了由多种细菌菌株以及整个185个菌株合成群落引起的对根系生长的严重抑制作用。我们证明贪噬菌属可以操纵植物激素水平来平衡我们生态上可行的人工合成根系群落对根系生长的影响。我们确定了生长素降解操纵子,其在所有可用的贪噬菌属基因组中都保守,并且对于根生长抑制的逆转是必要和充分的。因此,代谢信号干扰塑造了细菌-植物的通讯网络,并且对于维持根部的定型的发育程序至关重要。优化塑造根际化学相互作用网络的反馈,为开发更具抵抗力和生产力的作物提供了一种有前途的生态策略。

正文

植物表型和最终适应性受与其密切相关的微生物的影响。这些微生物(统称为植物微生物组)是以植物和环境衍生的线索为基础组装而成的,从而导致植物与微生物之间无数的相互作用。微生物对植物的有益和有害的影响可能是微生物与微生物相互作用的直接或间接的结果。尽管已知微生物之间的拮抗作用在塑造植物菌群和保护植物免受病原体的侵害中起着重要作用,但另一类潜在的重要相互作用是代谢信号干扰:微生物不是直接拮抗,而是干扰其他微生物产生的化学信号的传递,从而改变了植物-微生物的信号传递。

植物激素(尤其是植物生长素)是由大量与植物相关的微生物产生和降解的。微生物衍生的生长素可能对植物产生影响,从生长促进到疾病诱导,具体取决于环境和浓度。植物固有的根系发育方式取决于精细校准的生长素和乙烯浓度梯度,并且在组织和细胞类型之间存在细微差异;目前尚不清楚该植物如何将外源的、微生物源的生长素流整合到其发育计划中。

在此,我们将一个合成群落应用于无菌植物,作为自然土壤中与根系相关的微生物群落的代理,以研究微生物之间的相互作用如何影响植物的生长。我们在16种非生物条件下建立了植物定殖模式,以指导合成群落的逐步解构,从而鉴定出多种水平的微生物与微生物的相互作用,从而干扰细菌对根系生长的累加作用。我们证明单个细菌属——贪噬菌属(Variovorax)需要通过调整其化学谱来维持根的内在控制的发育程序。我们将贪噬菌属确立为在各种土壤中生长的各种植物的根微生物群中的核心类群。最后,我们确定了负责这种表型的贪噬菌属菌株中保守的基因座。

微生物相互作用控制根的生长

Microbial interactions control root growth

为了在完全受控的环境中模拟植物-微生物群的相互作用,我们建立了一个植物-微生物群的微宇宙,它代表了琼脂平板上的天然细菌根系微生物群。我们给7天大的幼苗接种了由主要与根相关的门组成的185个细菌的合成群落(附图1a)。通过操纵四个变量(盐度,温度,先前报道的磷酸盐浓度梯度和pH)之一,我们将这个微宇宙暴露在16种非生物环境中。我们使用16S rRNA基因扩增子测序在接种后12天测量了根,茎和琼脂部位中合成群落的组成。

在土壤中种植的拟南芥中观察到所得到的根和芽微生物群的组成概括了门水平的植物富集模式(附图1b)。我们使用在无菌盆栽土壤中接种相同合成群落的幼苗,验证了在基于琼脂系统中观察到的模式。基于琼脂和土壤的系统之间在独特序列水平上的相对丰度和植物富集模式都显著相关,这证实了我们相对高通量的基于琼脂的系统作为植物微生物区系组装模型的适用性( 附图1c)。在琼脂系统中,部分(底物,根或枝)和非生物条件都显著影响α和β多样性(附图1d–f)。

附图1. 合成群落类似于自然群落的物种组成

Extended Data Fig. 1 | Synthetic community resembles the taxonomic make-up of natural communities.

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a. 合成群落的进化分析。分离自表面消毒的拟南芥根的185个全基因测序的分离株。合成群落包括根系富集主要菌门(放线菌门、变形菌门、拟杆菌门)的多样性,同时厚壁菌门在植物相关的培养组中较丰富。树端点按门着色,外圈显示合成群落中的12个细菌目的分布。b. 比较自然植物根系、合成群落起始和稳定后的物种门水平组成。厚壁菌门不是植物富集的,其相关丰度发展为<0.1%(图1a)。c. 比较合成群落在琼脂和土壤下的群落相似性。d. 限制性主坐分析(CAP)展示琼脂、根和地上部对群落影响的比例。e. 非生物条件表现出可重复的alpha多样性效果,包括磷、盐、pH值和温度的梯度。f. 不同条件梯度下的典范分析。

为了指导将合成群落解构为模块,我们计算了所有样品中相对丰度的成对相关性,并确定了四个共生菌株的明确定义的模块,我们将其称为模块A,B,C和D(图.1a)。这些模块与植物形成了独特的系统发育的关联。模块A主要包含丙型变形菌纲(Gammaproteobacteria),并且在基质中比在幼苗中丰富得多;模块B主要包含低丰度的厚壁菌门(Firmicutes),没有明显的富集趋势;模块C和D分别由α-变形杆菌纲(Alphaproteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)组成,并显示了在所有非生物条件下的植物富集。α-变形杆菌纲(模块C)和放线菌门(模块D)在整个植物物种中都持续富集,这表明这些进化枝包含了植根于其进化历史中的植物相关性状。

图1.拟南芥的根长由群落中细菌与细菌的相互作用决定

Arabidopsis root length is governed by bacteria–bacteria interactions within a community

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a,跨非生物梯度的合成群落的组分富集模式。 每行代表一个唯一的序列。给出了共生菌株的四个模块(A,B,C和D)。树状图端点按分类着色。热图通过从拟合的广义线性模型得出的经log2转换的倍数变化进行着色,并表示与底物相比植物组织(根或枝)的富集。经错误发现率(FDR)校正的q值 < 0.05 的比较以黑色轮廓显示。热图下方列出了每个模块中丰富的科。在2个独立实验中,n = 6个生物学重复。Pi, 无机磷酸盐; temp, 温度。

b, 具有完整(ABCD)、子集(单独的模块A,B,C和D)、子集组成的合成群落,以及无菌条件下生长的幼苗的初生根伸长情况。通过方差分析(ANOVA)确定显著性;字母对应于Tukey事后检验。在两个独立实验中,n = 75、89、68、94、87、77、76、96、82、84、89和77(从左到右)的生物学重复。

c, 用模块A,C和D以及模块组合A–C和A–D接种的代表性幼苗的二值化(binarized)图像。

d, 热图由以每个模块(列A–D)的四个代表性根生长抑制(root growth inhibition,RGI)诱导菌株与模块A(行)或单独(自身)的分离株组合接种的幼苗的平均初生根伸长来着色。通过ANOVA确定显著性。

e,分别或联合在两种基质上接种Arthrobacter CL28和Variovorax CL14的幼苗的初生根伸长。通过ANOVA确定显著性,字母是Tukey事后检验的结果。在两个独立的实验中,n = 64、64、63、17、36和33(从左到右)的生物学重复。在所有箱形图中,中心线表示中位数,箱形边缘表示第25百分位数和第75百分位数,而线最大延伸到四分位间距(IQR)的1.5倍。

接下来,我们询问共存菌株的不同模块在确定植物表型方面是否具有不同的作用。我们用单独的模块A,B,C和D或全部六种可能的成对组合组成的合成群落接种了幼苗,并在接种12天后对幼苗进行了成像。我们观察到,用植物富集的模块C或D接种的幼苗,有很强的根系生长抑制作用(Root Growth Inhibition, RGI)(图1b, c)。RGI在接种了模块A或模块B的幼苗中没有发生,因为模块A或模块B不含植物富集菌株(图1b)。为了测试源自每个模块的根表型是否是其各个组成部分的累加结果,我们将幼苗与合成群落的185个成员以单一关联接种。我们观察到,分布在所有4个模块中的34种分类学上不同的菌株诱导了RGI(附图2a–c)。但是,无论是由模块A或B组成的完整合成群落还是合成群落均未显示RGI(图1b)。因此,在这种复杂的群落环境中,二元植物-微生物相互作用并不能预测相互作用。

附图2. RGI性状在细菌系统发育中的分布

Extended Data Fig. 2 | RGI trait is distributed across bacterial phylogeny.

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a/b. 接种单一细菌分离株的幼苗的初生根伸长按模块(a)和进化(b)分布。c. 34个无菌生长的幼苗添加RGI菌株的二值化图像

在接种了模块对的幼苗中,我们观察到了上位相互作用:在模块A的存在下,由模块C和D引起的RGI被恢复了(图1b,c)。因此,通过将合成群落分解为四个模块,我们发现细菌对根系生长的影响受微生物-微生物相互作用的多个水平控制。至少四个实例对此进行了举例说明:在模块A或B中以及在模块A与模块C或D之间。因为这些相互作用中的三个涉及模块A,所以我们预测该模块包含能强烈减弱RGI并保留定型根发育的菌株。

贪噬菌属保持定型根生长

Variovorax maintain stereotypic root growth

为了识别模块A中负责RGI模块内和模块间衰减的菌株,我们将我们的系统简化为一个三方植物-微生物-微生物系统。我们分别从模块A筛选了18种非RGI菌株,以减弱它们衰减来自所有4个模块的代表性菌株引起的RGI的能力。我们发现,所有测试的来自贪噬菌属(Variovorax)(Comamonadaceae科)的菌株均抑制了来自于模块C(Agrobacterium MF224)和模块D(Arthrobacter CL28)的代表性RGI诱导菌株引起的RGI(图.1d)。来自模块A(Pseudomonas MF48)和模块B(Bacillus MF107)的菌株没有被贪噬菌属抑制,而是被两个紧密相关的伯克霍尔德氏菌菌株(CL11和MF384)抑制(图.1d)。

当我们针对一系列不同的RGI诱导菌株筛选了两个选定的抑制RGI的贪噬菌属菌株(CL14和MF160)和Burkholderia CL11时,观察到了类似的模式。克霍尔德氏菌减弱了我们测试的18种RGI诱导菌株中的13种(附图.3a)。

附图3. 贪噬菌属恢复RGI性状

Extended Data Fig. 3 | Variovorax-mediated reversion of RGI.

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a. 热图展示平均的根长展示根长恢复效果。b. 贪噬菌属恢复细菌抑制根长的性状

为了测试我们在琼脂上观察到的RGI诱导和抑制是否也发生在土壤中,我们在接种了RGI抑制和诱导菌株对的无菌土壤上萌发了拟南芥:诱导RGI的Arthrobacter CL28和抑制RGI的Variovorax CL14。正如预期的那样,Arthrobacter CL28诱导了RGI,Variovorax CL14在土壤中将其恢复(图1e)。我们通过显示Variovorax介导的RGI衰减扩展到番茄幼苗来概括该观察结果,其中Variovorax CL14还原了Arthrobacter CL28介导的RGI(附图3b)。最后,我们测试了RGI抑制的菌株在整个185个菌株的群落中是否保持其减弱RGI的能力。在去除合成群落中存在的全部10个Variovorax菌株和/或全部6个Burkholderia菌株后,我们比较了暴露于完全合成群落或暴露于同一群落的幼苗的根表型(图2a)。我们发现,Variovorax对在整个群落内还原RGI是必要且足够的(图2b,c,附图4a)。

图2. 贪噬菌属保持定型根发育

Variovorax maintains stereotypic root development

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a, 185个细菌分离株的系统发育树。同心环代表每种合成群落处理的分离株组成。NB,未接种(无细菌);full, 完整合成群落; -Burk, 无Burkholderia;−Vario, 无贪噬菌属;-Vario,-Burk, 无Burkholderia和贪噬菌属。

b, 接种或未接种完整合成群落或无贪噬菌属合成群落的代表性幼苗的二值化图像。

c, 生长在无菌或接种a中所述的不同的人工合成群落处理的幼苗的主根伸长。通过ANOVA确定显著性,字母对应于Tukey事后检验。n = 26、26、24、37和29(从左到右)生物学重复。

d, 在不同基质上接种全合成群落或去除贪噬菌属的合成群落的幼苗的初生根伸长:Johnson培养基(JM)琼脂,Murashige和Skoog(MS)琼脂,无菌粘土或盆栽土壤。在2个独立实验中,n = 36、47、21、24、43、48、33和36(从左到右)的生物学重复。

e, 用(+Vario)或不使用(-Vario)Variovorax分离株的四个完整合成群落子集(模块A,C,D或先前描述的由35个菌株组成的合成群落,其中删除了单个Variovorax菌株(34个成员))接种的幼苗的初生根伸长。在两个独立的实验中,n = 40、40、15、19、22、26、25和29(从左到右)个生物学重复。

f,在不同的非生物胁迫:低磷酸盐,高盐,高pH和高温下,用全合成群落或去除Variovorax的合成群落接种的幼苗的初生根伸长。在两个独立的实验中,n = 43、45、37、37、43、44、44和43(从左到右)个生物学重复。通过d,f中的方差分析确定每种条件下的显著性,并通过e中的双尾t检验确定。FDR调整的P值被显示。

g,主坐标标典范分析(CAP)散点图比较了整个组分(基质(正方形),根(圆)和枝条(三角形))中完整的合成群落和去除Variovorax的合成群落的组成(颜色如a所示)。显示了置换多元方差分析(PERMANOVA)P值。n = 7(底物+full),8(底物+ -Vario),6(根+full),6(根+ -Vario),5(芽+full)或5(芽+ -Vario)。

h,整个琼脂,根和茎部分的完整合成群落中Variovorax属的相对丰度(RA)。在16个独立实验中,琼脂,根和芽的n = 127、119和127个生物学重复。

在各种底物(包括土壤)以及各种生物和非生物环境下,这一结果都是可靠的(图2d–f,附图.4b)。此外,在合成群落中贪噬菌属的存在会增加植物根系的总长度及其芽的大小(附图4c,d)。重要的是,后者被认为是相对植物适应性的可靠代表,这表明贪噬菌属介导的RGI抑制是适应性的。

附图4. 贪噬菌属维持植物生长形态

Extended Data Fig. 4 | Variovorax maintain stereotypic plant growth.

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a. 合成群落中缺乏贪噬菌属时受到抑制的表型。b. 合成群落菌的分布。c. 不同培养基下缺乏贪噬菌属时受抑制根长的情况。d. 土壤中生长地上部分受抑制的情况。

为了确定贪噬菌属减弱RGI能力的广度,我们从该属的系统发育中测试了其他贪噬菌属菌株(附图5a)。我们测试的所有19种Variovorax菌株均还原了Arthrobacter CL28诱导的RGI。从最近的与植物相关联的外群到该属的菌株(Acidovorax root 21924)没有还原RGI(附图.5a,b)。因此,所有经过测试的菌株(代表贪噬菌属的广泛系统发育)均与各种各样的细菌相互作用,以在复杂的群落中实施定型的根发育,而与生物或非生物环境无关。重要的是,我们发现没有证据表明该表型是通过与RGI诱导菌株竞争或对抗而获得的(图.2g,h,附图.6)。

附图5. RGI的恢复在整个Variovorax系统发育中都很普遍

Extended Data Fig. 5 | Reversion of RGI is prevalent across the Variovorax phylogeny.

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a. 69种可公开获得的Variovorax基因组的系统树
和2个外群分离株,嗜酸性根219和伯克霍尔德菌CL11。b. 所有测试的贪噬菌属恢复细菌抑制根长的性状

附图6. 贪噬菌不与RGI菌株竞争或拮抗RGI菌株

Extended Data Fig. 6 | Variovorax does not compete with or antagonize RGI strains.

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菌落记数RGI菌的绝对丰度,发现数量没有下降,并未受到贪噬菌抑制。

贪噬菌属操纵生长素和乙烯

Variovorax manipulates auxin and ethylene

为了研究细菌对根系生长的影响的机制,我们分析了与RGI诱导菌株Arthrobacter CL28和RGI抑制菌株Variovorax CL14定植12天的幼苗的转录组,分别与幼苗单结合或三联结合(图1e)。我们还对完全合成群落(无RGI)或去除Variovorax的合成群落(RGI)定殖的幼苗进行了RNA测序(RNA-seq)(附图7a)。在两个实验中,仅在RGI条件下(RGI诱导)才显著诱导18个基因(附图7a,b)。其中17个基因与根apex25相关功能的基因共同表达(附图7b, c)。其余的基因GH3.2,编码吲哚-3-乙酸-酰胺基合成酶,该酶结合了过量的植物激素生长素,并且是后期生长素反应的有力标记(附图7b)。生长素的产生是一个有据可查的机制,细菌可以通过这种机制调节植物根的发育。确实,来自以前的RNA-seq研究中检查拟南芥中急性生长素反应的前12个生长素反应基因,在暴露于RGI诱导条件下的幼苗中平均转录本增加(附图7d)。我们假设Variovorax对RGI的抑制作用可能是通过干扰细菌产生的生长素信号传导来介导的。我们询问了Variovorax对RGI的抑制是否与生长素信号传导直接且唯一相关。除生长素外,其他小分子也会引起RGI。这些包括植物激素乙烯和细胞分裂素,以及与微生物相关的分子模式,例如鞭毛蛋白衍生的肽flg22。我们测试了不同的Variovorax菌株和Burkholderia菌株CL11还原生长素(吲哚-3-乙酸(IAA)和生长素类似物2,4-二氯苯氧基乙酸),乙烯(乙烯前体1- 氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)),细胞分裂素(玉米素和6-苄基氨基嘌呤)和flg22肽诱导的RGI的能力。我们检测的所有Variovorax菌株都抑制了IAA或ACC诱导的RGI(图3a)——除了Variovorax YR216,它不抑制ACC诱导的RGI,也不包含ACC脱氨酶基因,这是一种与该属相关的促进植物生长的特征(附图5a)。Burkholderia CL11仅部分恢复了ACC诱导的RGI(图.3a)。Variovorax菌株均未减弱由2,4-二氯苯氧基乙酸,flg22或细胞分裂素诱导的RGI(图3a,附图8a)。重要的是,该功能是由Variovorax对植物生长素的识别介导的,而不是由植物生长素的反应本身介导的,因为2,4-二氯苯氧基乙酸诱导的植物生长素的反应(RGI)不会恢复。实际上,我们发现Variovorax CL14降解了培养物中的IAA(附图.8b),并淬灭了由RGI诱导的Arthrobacter CL28引起的拟南芥生长素报道基因系DR5::GFP的荧光(附图8c,d)。

附图7. RGI菌株诱导生长素响应基因

Extended Data Fig. 7 | Auxin-responsive genes are induced in response to
RGI strains.

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a, RGI菌株诱导的基因在不同组的分布;b, 共有基因比较、表达分布,以及基因间相关性;c,差异基因的GO分布网络;d, 12个生长素响应基因的处理前后变化。

附图8. 贪噬菌降解植物的生长素并终止植物对生长素的感知

Extended Data Fig. 8 | Variovorax degrades auxin and quenches auxin
perception by the plant.

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a, 6种激素处理下验证菌株的恢复效果;b, 贪噬菌降解生长素;c,贪噬菌抑制生长素的诱导表达;d, 图c中对应的GFP照片。

图3. 贪噬菌抑制RGI与生长素和乙烯信号传导有关

Fig. 3 | Variovorax suppression of RGI is related to auxin and ethylene signalling.

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a, 单独(自身)或与Burkholderia CL11或四种Variovorax分离株(CL14,MF160,B4或YR216)中的一种一起用诱导RGI的Arthrobacter CL28或三种激素处理(100 nM IAA,2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)或ACC)生长的幼苗的初级根伸长。通过方差分析确定每种处理的显著性;字母对应于Tukey事后检验。在2个独立实验中进行n = 74、46、61、48、49、49、45、44、46、43、49、40、22、19、22、19、20、25、28、30、29、29、29和29(从左到右)个生物学重复。

b,在无菌条件下标准化的野生型(Col-0),生长素无反应性(axr2-1),乙烯无反应性(Col-0 +
MCP)或生长素和乙烯无反应性(axr2-1 + MCP)接种了RGI诱导的Arthrobacter  CL28或去除Variovorax的人工合成群落(-Vario)幼苗的初生根伸长。蓝色虚线表示未接种的幼苗的相对平均长度。水平阴影是用Arthrobacter CL28 + Variovorax CL14(水色)或完全人工合成的群落(灰色)生长的幼苗的IQR。通过ANOVA确定显著性; 字母对应于Tukey事后检验。在2个独立实验中,n = 37、25、24、23、35、21、22和20(从左到右)个生物学重复。在a,b中,数据代表平均值±95%置信区间。

已知生长素和乙烯具有协同作用以抑制根的生长。为了确定植物对植物生长素和乙烯的感知在响应RGI诱导菌株中的作用,我们将对植物生长素不敏感的axr2-1突变体与竞争性乙烯受体抑制剂1-甲基环丙烯(1-MCP)结合使用。我们用RGI诱导的Arthrobacter CL28菌株或去除Variovorax的合成群落接种了野生型幼苗和axr2-1突变体,无论是否用1-MCP处理。在这两种情况下,我们均观察到axr2-1和1-MCP处理的野生型幼苗中细菌RGI降低,而1-MCP处理的双重不敏感的axr2-1幼苗中细菌RGI进一步降;这表明植物中的生长素和乙烯的感知都对细菌诱导的RGI产生了附加作用(图3b)。因此,在不存在Variovorax的情况下,复杂的合成群落可通过生长素和乙烯依赖性途径诱导根表型发生严重的形态变化,但当存在Variovorax时,两者均可恢复。

为了确定细菌的机制或涉及到RGI衰减的机制,我们将合成群落中10个Variovorax菌株的基因组与合成群落中其他175个株菌的基因组进行了比较。使用从头至尾的直系同源物在所有185个基因组中进行聚类,我们鉴定了947个Variovorax特有的基因,在合成群落的175个非Variovorax成员中流行率低于5%,在所有10个Variovorax菌株中流行率均为100%。我们将这些基因分组到物理上连续的基因(基因组热点)区域,并集中在12个热点,其中包含至少10个Variovorax独特的基因(附图.9a)。其中一个热点包含对Paraburkholderia phytofirmans菌株PsJN18的IAA降解iac操纵子的基因acc,iacD,iacE,iacF和iacR的较弱的同源性,但是缺少iacA,iacB和iacI,这些都是已知在IAA17上的Paraburkholderia生长所必需的(图4a,附图9b)。为了测试我们确定的热点是否对诱导RGI的细菌有反应,我们分析了单培养和与诱导RGI的Arthrobacter  CL28共培养的Variovorax CL14的转录组。当与Arthrobacter CL28共培养时,我们观察到了Variovorax CL14的大量转录重编程。在我们确定的12个热点中,热点33中的基因上调程度最高(图4a,附图9b,c)。因此,我们假设热点33包含未表征的生长素降解操纵子。

附图9. 检测CL28响应的贪噬菌独特操纵子

Extended Data Fig. 9 | Detection of CL28-responsive Variovorax-unique
operons

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a, 存在-缺失矩阵表示合成群落185个成员中包含至少10个基因的12个贪噬菌特异热点的分布;b, 降解生长素的热点33结构 图;c,贪噬菌转录组的诱导表达变化;d/e, 细菌计数 (CFU)

图4. 根发育需贪噬菌中的生长素降解操纵子

An auxin-degrading operon in Variovorax is required for root development

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a, 生长素降解热点33r的基因结构图。基因以其IMG基因标识符的最后两位数字进行注释(26436136XX)(附图9b),并通过与Arthrobacter CL28共培养的Variovorax CL14 (CL14 - CL28)相对于单一培养的Variovorax CL14 (CL14)的转录本丰度的log2转化倍数变化(通过RNA-seq测量)进行着色。图下方显示了载体1(V1)和载体2(V2)中包含的基因,以及在Variovorax CL14ΔHS33中敲除的区域。

b, Acidovorax root219 :: EV,Acidovorax Root219 :: V2,Variovorax CL14和Variovorax CL14ΔHS33对IAA的体外降解。 n = 3个生物学重复。

c,d,用IAA(c)处理或用Acidovorax root219::EV, Acidovorax root219::V2, Variovorax CL14 and Variovorax CL14 ΔHS33 (d)与ArthrobacterCL28联合接种处理的幼苗的初生根伸长(d)。通过ANOVA确定显著性; 字母对应于Tukey事后检验。c, n = 49、46、46和49(从左到右);d, 在2个独立实验中n = 51、41、52和53(从左到右)个生物学重复。

与此同时,我们在大肠杆菌中构建了一个包含在宽宿主范围的载体中插入 > 12.5-kb片段的Variovorax CL14基因组文库,并对得到的大肠杆菌克隆进行了生长素降解的筛选。我们筛选了约3500个降解的IAA(称为V1和V2)中的两个克隆。这两个克隆中的Variovorax CL14基因组插入片段均包含热点33的部分(图4a,附图9b)。这两个克隆共有的序列包含9个基因,其中与Paraburkholedria iacC,iacD和iacE的同源性较弱。为了测试该基因组区域是否足以在植物中还原RGI,我们用较短的功能性插入片段(V2)或空载体(EV)转化了不会引起或恢复RGI的Variovorax的近缘Acidovorax根219。所得的功能获得菌株Acidovorax root219 :: V2获得了降解培养物中IAA的能力(图4b)。我们将Acidovorax根219 :: V2或对照Acidovorax根219 :: EV接种到经过IAA处理或接种了RGI诱导Arthrobacter CL28的植物上。尽管根部定殖的水平明显低于Variovorax CL14(图4d,附图9d),但Acidovorax根219 :: V2完全还原了IAA诱导的RGI(图4c),部分还原了节杆菌CL28诱导的RGI(图4d,附图9d)。此外,我们从Variovorax CL14(图4a)中删除了热点33,以测试该假定操纵子对于RGI的还原是否必要。所得菌株Variovorax CL14 ΔHS33(未在植物定植中受损(附图9e))未降解培养物中的IAA(图4b),并且未还原IAA诱导的(图4c)或 Arthrobacter CL28-诱导的RGI(图4d)。因此,该Variovorax特异的基因簇对于抑制RGI和生长素的降解是必需的。因此,这是Variovorax在系统发育多样的微生物组中维持定型根发育所需的关键遗传位点。

结论

信号分子和其他次级代谢产物是适应性产物,可使微生物在与初级代谢产物竞争中存活下来。我们的结果阐明了利用这些次生代谢产物为其自身利益而提供营养的微生物营养层的重要性,同时潜在地提供了干扰细菌微生物群和植物宿主之间的信号传递的非选择性扩展适应。先前已经在群体淬灭,微生物相关分子模式的降解以及细菌产生的生长素(包括Variovorax)的降解中证明了这种代谢信号干扰。植物的发育依赖于严格调控的生长素浓度梯度,该梯度可能会被来自微生物群的生长素通量所扭曲。某些Variovorax菌株具有产生和降解生长素的能力,这表明其具有对根际中的生长素浓度进行微调的能力

我们在这里表明,在系统发育上多样的,现实的合成群落中贪噬菌的存在增强了化学稳态,使植物能够在化学复杂的基质内维持其发育程序。贪噬菌最近被发现有一种罕见的特性,即在一个既定的群落时改善对植物的定殖能力,这表明它们使用细菌产生或诱导的底物,而不是植物来源的底物。此外,在重新分析了最近的关于拟南芥根微生物组的大规模时间和空间解析调查以及一个包含30种植物的常见园艺实验后,我们注意到贪噬菌是在100%的采样点和植物物种中发现的一组有限的核心细菌属(附图10a,b)。这些生态观察,加上我们使简化的微宇宙的结果,加强了贪噬菌作为细菌-细菌-植物通讯网络的关键角色的重要性,而细菌-细菌-植物通讯网络是维持复杂生化生态系统中根系生长所必需的。

附图10. 在自然存在的拟南芥属微生物群和30种植物中贪噬菌属普遍存在

Extended Data Fig. 10 | Variovorax are highly prevalent across naturally occurring Arabidopsis microbiomes and across 30 plant species.

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a, 拟南芥17个采样地点菌属的流行率;b, 30种植物中的菌属的流行率。

Reference

Omri M. Finkel,Isai Salas-González,Gabriel Castrillo,Jonathan M. Conway,Theresa F. Law,Paulo José Pereira Lima Teixeira,Ellie D. Wilson,Connor R. Fitzpatrick,Corbin D. Jones,Jeffery L. Dangl.A single bacterial genus maintains root
growth in a complex microbiome.Nature (2020) https://doi.org/10.1038/s41586-020-2778-7

Nature | 重磅!Jeff Dangl团队揭示微生物组中的单一细菌属维持根的生长!

Nature新发现!有了这一类细菌,植物根系可正常生长



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