项目文章 | IF:6.362多组学联合分析揭示拟南芥根际细菌产生挥发性物质促进侧根发育新机制

上海欧易生物医学科技有限公司

分析测试百科网 > 行业资讯 > 微信文章

项目文章 | IF:6.362多组学联合分析揭示拟南芥根际细菌产生挥发性物质促进侧根发育新机制

鹿明生物

2021.3.01

点击上方“蓝色字体”关注我们

鹿明

生物

蛋白、代谢组学服务专家

关注我们收获更多

关注

● 前言

2020年11月欧易/鹿明生物客户南京农业大学张瑞福教授课题组在Plant, Cell&Environment期刊上发表题为“Volatile compounds from beneficial rhizobacteria Bacillus spp. promote periodic lateral root development in Arabidopsis”的研究成果。通过SPME-GC-MS非靶向代谢组学及转录组学研究方法，揭示了根际细菌产生的挥发性化合物以非接触方式调节植物侧根生长发育的新机制，并初步筛选其关键物质，为后续研究奠定了坚实的基础。

中文标题：有益根瘤菌芽孢杆菌的挥发性化合物促进拟南芥周期性侧根发育

研究对象：拟南芥

发表期刊：Plant, Cell & Environment

影响因子：6.362

发表时间：2020年11月11日

合作单位：南京农业大学

运用欧易/鹿明生物技术：SPME-GC-MS非靶向代谢组学（由鹿明生物提供技术支持）、转录组学

● 研究背景

植物侧根（LR）的发育受内在和环境因素的调节。在拟南芥中，LR沿着初级根轴发育，这一过程起始于木质部极生周期（XPP）细胞的一部分LR创始细胞（LRFC），该细胞被激活后经历几次背斜和周斜分裂，从而形成圆顶状的侧根原基（LRP），向外生长并从主根出现。植物激素生长素在调节整个LR发育阶段中起关键作用，最近使用DR5:荧光素酶报告基因的研究证明基因表达的周期性振荡触发了侧根分支位点的形成；DR5:荧光素酶的有节奏脉冲表达的整个区域被指定为振荡区（OZ）。研究进一步表明，通过调节振荡幅度以确定是否创建分支前位点，侧向根冠（LRC）衍生的生长素对于振荡基因的表达过程至关重要。

环境因素也可能会影响LR的不同发育阶段。重金属镉和水可通过调节OZ中的DR5:荧光素酶表达来形成LR。有益的根际微生物可以通过促进根细胞分裂和分化而显著影响根的发育。病原细菌也可以强烈诱导LR形成。此外，单个细菌属（Variovorax）可以通过代谢信号干扰来控制植物激素水平，从而在复杂的微生物环境中维持根的生长。然而，这些生物因子如何调节LR的形成以及它们与内在因素相互作用机制尚不清楚。

● 研究思路

点击图片查看大图

● 研究结果

1.芽孢杆菌属的挥发性化合物（VCs）促进了拟南芥侧根的生长及发育

作者为了验证芽孢杆菌对拟南芥侧根生长发育的影响，将拟南芥幼苗在双室陪替氏培养皿中在7种不同芽孢杆菌菌株的存在下生长。共培养8天后，发现一半以上的细菌菌株显著增加了初级根延伸率（图1A和B）。在用所有菌株处理的幼苗中，观察到的LR值增加了约2到3倍（图1C）。为了排除初级根长度增长而导致LR数增加的可能性，作者计算了LR密度，结果否认了这种可能性（图1D）。此外，除枯草芽孢杆菌（GZtD和168）外，所有这些菌株均增加了幼苗总生物量的产生（图1E），而后选取优良的PGPR菌株SQR9作为典型模型进行以下研究。

图1 | 芽孢杆菌属的挥发性化合物（VCs）对拟南芥侧根生长及发育的影响

2.SQR9 VCs增强了LR中的细胞分裂和生长素信号转导过程

接下来为了探究SQR9 VCs所影响的LR发育阶段，作者使用了pCYCB1:GUS报告基因系统来确定LRP的发育阶段。共培养6天后，与对照处理相比，在SQR9处理的条件下，总LRP数量增加了33％（图2B）。这些结果表明，SQR9 VCs可能通过诱导LRP从头形成而增加了LR分支。此外，作者观察到通过SQR9 VCs处理，CYCB1在分生组织中的表达增强（图2D），表明SQR9 VCs促进了根尖分生组织中的细胞分裂。

由于LR启动需要生长素信号传导。作者使用pDR5:GUS标记系统检测拟南芥根尖和LRP中的生长素反应。共培养6天后，作者观察到通过SQR9 VCs处理，分生组织以及LRPs中的pDR5:GUS的表达都得到了增强（图2A和C）。

图2 | SQR9 VCs对LR形成，生长素反应和细胞分裂的影响

3. SQR9释放的VCs影响振荡和分支前部位的形成

OZ中的DR5振荡是沿PR预先形成LR起始位点的固有机制。作者使用pDR5：荧光素酶报告基因对分支前位点进行定量（图3A）。在共培养6天后，与对照处理相比，SQR9 VCs处理显著增加了分支前位点的数量（图3B），也增加了整个PR的分支前部位和LR的密度（图3D）。此外，作者测量了48小时内分支前部位的周期性产生，发现SQR9 VCs处理显著增加了分支前部位的数量（图3C），表明SQR9 VCs诱导的分支前部位的形成频率更高。此外，作者观察到SQR9 VCs处理过的根的OZ中DR5:荧光素酶的表达增强（图3E），表明SQR9 VCs引起了振荡的变化。

图3 | SQR9 VCs对振荡和分支前部位的形成的影响

4.生长素对于SQR9 VCs诱导的LR形成必不可少

LR的生长受到生长素的严格控制。作者使用对SQR9 VCs共培养的拟南芥中生长素相关基因进行qRT-PCR检测，与早期转录组数据结果趋势一致，多数与生长素相关的基因表达水平上调（图4A）。此外，作者检查了SQR9 VCs诱导的LR形成对一系列生长素相关突变体的影响，这些突变体在生长素生物合成，转运或信号传导方面存在缺陷，结果表明，在所有生长素信号突变体中，LR的生长发育受到损伤，与对照相比，SQR9 VCs处理并未影响LR的形成（图4B和C）。即使SQR9 VCs可以诱导生长素转运突变体（pin2，pin3和aux1-7）中的LR形成，但其效果却比在Col-0上弱（图4C和D）。在ech2ibr1ibr3ibr10突变体中（IBA到IAA转换有缺陷），与Col-0相比，SQR9 VCs对促进LR形成的作用增强（图4C和D）。

图4 | 生长素相关基因在SQR9 VCs诱导的LR形成中起作用

随后，向培养基中添加生长素转运抑制剂NPA抑制了SQR9 VCs对LR形成的促进作用。当NPA的浓度达到5mM时，SQR9 VCs对LR形成的作用消失了（图5A和B）。同时，NPA还抑制了SQR9 VCs促进分支前部位的形成（图5C和D）。这些观察结果表明SQR9 VCs刺激的LR形成需要功能性生长素运输。为了证实这一点，作者分析了PIN2，PIN3在表达pPIN2：PIN2：GFP，pPIN3：PIN3：GFP的幼苗的根中的表达。结果表明，SQR9 VCs处理增加了表皮和皮质细胞中pPIN2：PIN2：GFP的表达，并轻微诱导了初级根茎中pPIN3：PIN3：GFP的表达（图5E至G）。

图5 | 生长素运输对拟南芥中SQR9 VCs介导的LR形成的影响

已知IAA主要由色氨酸通过两步途径合成。吲哚-3-丙酮酸酯（IPA）通过YUCCA（YUC）基因编码的乙烯单加氧酶的催化转化为吲哚-3-乙酸（IAA）。为了测试在SQR9 VCs处理下LR形成是否由YUCs介导的植物生长素生物合成引起，作者分析了SQR9 VCs处理后YUCs的表达，并使用了Yucasin来抑制YUCs的功能。除YUC9外，在SQR9 VCs处理下YUC3，YUC5，YUC6，YUC7的表达也显著上调（图6B）。而且，随着培养基中Yucasin浓度的增加，SQR9 VCs对LR形成的促进作用受到抑制（图6，A和C）。这些结果表明SQR9 VCs促进LR形成需要YUCs介导的生长素生物合成。

图6 | YUCs介导的生长素生物合成对拟南芥中SQR9 VCs介导的LR形成的影响

5.识别SQR9 VCs中调节LR形成的活性化学物质的信息

为了鉴定SQR9 VCs中调节LR形成的主要活性化合物，作者使用固相微萃取（SPME）结合GC-MS非靶向代谢组学分析了SQR9 VCs的成分。它们大多数属于酮，烃和醇。3-羟基-2-丁酮（也称为乙偶姻）是VCs色谱图谱中含量最丰富的化合物，它可促进植物生长。通过向培养基中添加乙偶姻，并在此实验中使用乙偶姻生物合成缺陷突变体ΔalsD来测试乙偶姻对拟南芥中LR生长发育的影响。结果表明，在较低的浓度（10和30 mM）下，乙偶姻略微促进了LR的形成，而在较高的浓度（100、300和1000 mM）下，乙偶姻对此没有影响（图7A和B）。接种ΔalsD时，SQR9 VCs诱导LR形成的作用被轻度抑制（图7 C和D），而乙偶姻对SQR9 VCs促进LR形成的作用占19％（图7E）。

图7 | 乙偶姻轻微诱导LR形成，但其作用与SQR9 VCs不能相提并论

最后，为了进一步调查乙偶姻促进拟南芥中LR增加的机制是否与SQR9 VCs相同。乙偶姻不影响PR尖端的CYCB1表达模式（图8B），也不影响幼苗DR5:荧光素酶在48小时内形成的分支前位点的数量（图8C和D）。尽管乙偶姻略微增加了LRP的总数，但LRP的阶段分布并未受到明显影响（图8A）。这些数据表明，SQR9 VCs中的乙偶姻对促进LR形成具有一定的作用，但与SQR9 VC整体上的作用相比，微不足道，因此不能解释SQR9 VCs在促进LR形成过程中的作用。

图8 | 乙偶姻对拟南芥中LRP分布，细胞分裂和分支前部位形成的影响

● 研究结论

该项研究提出了一个有益根瘤芽孢杆菌属菌种释放的VCs通过调节基因振荡来促进LR分支的模型。它增加了分支前部位形成的频率，并进一步加速了初级根中LRP的出现，导致沿初级根在空间上产生更密集的LRP和LR。该过程取决于植物生长素信号传导途径，还需要YUCs介导的植物生长素生物合成，极性植物生长素转运的参与（图9）。乙偶姻是SQR9 VCs的主要成分，在促进侧根发育方面活性较低，这表明未表征的VCs可能在SQR9 VCs介导LR形成中起到关键作用。总之，该研究揭示了PGPR产生的VCs以非接触方式调节LR分支的新机制，并初步探索促进植物侧根发育的相关挥发性物质。

小鹿推荐

该研究使用SPME-GC-MS非靶向代谢组学及转录组学技术，对拟南芥根际细菌产生的挥发性化合物促进植物侧根发育机制进行研究，并提供了一种新的时空调节模型。这对理解根际细菌或其他环境因素如何重新编程根系结构具有重要的指导意义。尽管SQR9 VCs中乙偶姻对LR形成的促进作用微弱，且尚不清楚哪种化学物质在调节LR形成中起主要作用，但SQR9 VCs中调节RSA特征的其他物质仍值得进一步研究。

文末看点

上海鹿明生物科技有限公司，一直专注于生命科学和生命技术领域，是国内早期开展以蛋白组和代谢组为基础的多层组学整合实验与分析团队。