多年生植物寿命可达上百年，需要一直应对病原菌的侵害，但多年生植物代时较长，很难在有性繁殖过程快速产生变异,其寿命与病原菌的侵害有很大关系。很多长寿树种之所以寿命较长也是因为其强大的抗性和广泛的适应性。植物根际微生物组被称为“植物的第二基因组”,根系微生物对于植物抗逆能力的提高具有重要的推动作用。多年生木本植物是否存在较稳定的地下微生物群落，通过何种方式调控特定微生物群落从而提高自身抗病性等科学问题，至今仍全然未知。
近日， 国际综合学术期刊《New Phytologist》(植物学一区)发表了江南的注册网址生物学院张德强教授/谢剑波教授团队和法国洛林大学Francis Martin团队的研究成果《年龄相关微生物组结构影响杨树的防御机制》（Multifeature analysis of age-related microbiome structures reveals defense mechanisms of Populus tomentosa trees）。该研究工作得到了国家重点研发计划(No.2022YFD2201600; 2022YFD2200602; 2021YFD2201203),国家自然科学基金优秀青年基金(32022057)和国家林草局青年拔尖人才(No. 2020132607)等项目的资助。
该研究发现，放线菌的丰度随树龄的增加与黄酮类化合物的生物合成密切相关，并通过分子遗传学方法揭示了类黄酮类生物合成调节基因Transparent Testa 8（TT8）与类黄酮相关放线菌的募集有关。放线菌分离株的接种实验表明，其定殖可以显著改善宿主的表型。定点诱变表明，链霉菌分离株bj1中参与氨基环醇潮霉素B类似物的生物合成的hyBl基因簇与疾病抑制有关。在此基础上，科研人员认为多年生植物和土壤微生物之间的相互作用导致了特定微生物群落的富集，这些微生物可能含有大量目前未知的功能特征。
为了研究树龄变化下的微生物组成的变化以及杨树发育对植物相关微生物群落的影响，作者对大田土、根际和根内均进行了采样。分析表明，细菌群落从大田土向根内层的发展停滞。优势类群放线菌门和变形菌门占整体土壤中总细菌的49.9–66.1%，而占根内圈的72.6–96.5%。值得注意的是，在根内样品中，放线菌的丰度随着树的年龄的增加而逐渐增加。
图1. 样品的微生物多样性
为了全面评估和表征调节细菌组成的调控网络，作者收集了5个年龄段杨树的根样本，构成了一个包含基因表达、代谢谱和细菌丰度数据的数据集。作者特别关注了同向且显著的关联子集，其包含了几个共表达模块，揭示了基因表达、微生物群落和苯丙素、萜类和玉米素以及类黄酮的生物合成途径之间的联系。在这些模块中，有212个共表达基因和314个代谢物的积累与微生物的丰度相协调。作者在该模块中发现了16个共表达的TPS基因。该模块中的基因与几种代谢物的积累相关，如黄酮类、苯丙类和聚酮类。38.2%（76个中的29个）的黄酮类代谢物与这些转录本的表达模式呈正相关。
图2. 综合植物-代谢物-微生物关联的多组学网络
为了进一步研究基因表达和黄酮类物质积累对放线菌丰度的影响，作者对类黄酮生物合成途径的共表达模块进行了详细的分析。在这一共调控网络中发现了多个转录因子，包括WRKY26和WRKY33，它们可能导致一些植物防御相关基因的激活。在构建的协同调节网络中， Transparent Testa 8（TT8）编码一个螺旋-环-螺旋结构域蛋白，与胁迫响应、黄素内醇和茉莉酸生物合成以及类黄酮生物合成有关。TT8的表达量在杨树发育过程中持续增加，并在35年的树中达到峰值。TT8与类黄酮生物合成途径基因的表达模式高度相关。进一步的研究表明，与类黄酮途径相关的几个关键酶和代谢物被聚集在一起。这些数据表明，TT8可能是参与类黄酮途径的关键调控因子，有可能调节放线菌的丰度。为了研究TT8在杨树根系放线菌招募中的作用，作者进行了16S rRNA基因扩增测序，对野生型和过表达TT8的转基因株系的根系微生物区系进行了分析。研究发现，过表达TT8的转基因株系与富含黄酮类化合物的asv的相对丰度相关，表明TT8有助于杨树放线菌的招募和选择。
图3. TT8与黄酮类化合物的生物合成及根际微生物群落
结果表明，根内放线菌的相对丰度随着树龄的增加而增加，这种增加可能有助于植物的健康。作者认为放线菌丰度的增加可能是由于特定的优势谱系的增加，如链霉菌。为了进一步研究放线菌改变宿主表型的潜力，作者对来自组织培养的杨树植株进行了链霉菌接种实验。结果表明，与对照植株相比，接种的植株具有更大的叶面积、更高的株高。选取链霉菌bj1进一步对基因组序列进行功能分析，基因组注释显示了28个次级代谢产物基因簇，与非核糖体肽、多酮、萜烯、铁载体、核糖体合成肽和翻译后修饰肽的生物合成相关。
图4. 敲除hyBl基因降低对病原体的抗病能力
生物学院张德强教授和法国洛林大学Francis Martin教授为该研究论文的共同通讯作者，谢剑波教授、马玉超副教授为论文的共同第一作者。
论文链接：https://doi.org/10.1111/nph.18847
