代谢组学

植物代谢产物在菌群形成过程中的作用研究进展(Exometabolome)

大多数代谢组学方法都集中在细胞内部发生的内容 。同样重要的是细胞的生化反应及其对其他细胞及其环境的影响。exometabolome:外代谢组学作为一种获得丰富表型数据的可靠方法而广受欢迎,并已用于生物加工和生物燃料开发。质谱成像方法(包括几种纳米技术)通过在复杂生物基质中定位代谢过程来提供补充信息。

撰稿:文藝,刘潇予

审核:文涛

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有趣都藏在无聊的日子里

植物代谢产物在根菌群形成过程中的作用研究进展

Recent advances in the role of plant metabolites in shaping the root microbiome

第一作者:

Richard P. Jacoby

摘要

近10年来,人们在描述植物相关的微生物组并且确定它们相互作用原理等方面取得了巨大进展。植物由根系分泌的代谢物塑造其根系微生物组。在这里,我们回顾了几种植物代谢物影响植物与地下微生物相互作用的报道,讨论了关于这种相互作用机制研究方法的进展,这些方法有助于阐明根际代谢网络。

The last decade brought great progress in describing the repertoire of microbes associated with plants and identifying principles of their interactions. Metabolites exuded by plant roots have been considered candidates for the mechanisms by which plants shape their root
microbiome. Here, we review the evidence for several plant metabolites affecting plant interaction with microbes belowground. We also discuss the development of new approaches to study the mechanisms of such interaction that will help to elucidate the metabolic networks in the rhizosphere

主要结果

1. 形成植物根际微生物群落的植物代谢产物属于不同类别

可以塑造形成植物微生物群落的代谢物属于不同的门类。

例如,香豆素是一种酚类化合物,在各种类植物中均有发现且在根际相对丰富,它在植物获取铁元素的过程中发挥重要作用。

然而,近期的两项独立的研究都表明,香豆素在调节根际微生物组成方面也起着关键作用。

具体来说,Stringlis等人7 的研究表明,对比野生型的拟南芥植株,香豆素缺乏的拟南芥突变株向其根系微生物招募了不同的类群,这可能是由于菌株特异性的抗菌作用所介导的。

一种特殊的香豆素——scopoletin,它对两种真菌病原体都产生了毒性,但对两种共生细菌却不表现毒性。

Voges等人9 使用人工合成的群落(SynCom)分别接种接种,发现香豆素缺乏的拟南芥突变株中假单胞菌菌株丰度明显高于野生型。

这一现象的机理可能涉及由氧化还原过程介导的微生物毒性,因为这种特殊的假单胞菌菌株的生长会被另一种特殊香豆素sideretin所产生的过氧化氢强烈抑制。

2. 影响植物与微生物相互作用的代谢物的自然变异

能够影响植物与土壤中微生物相互作用的代谢物的大量发现,证实了植物分泌物在塑造其根际微生物组方面的重要作用。由于不同植物基因型的次生代谢产物组成差异巨大,因此利用自然变异的方法更有望进一步鉴定根际信号物质的成分。植物与微生物之间的相互作用发生在多个层面上,宿主基因型可以很清晰明确地塑造相关的微生物群落。近期证实,这些代谢性状的遗传变异会影响微生物群落的招募和根际土壤中微生物的活性,最终会影响宿主的适应能力和健康状况。

3. 确定植物-微生物相互作用的关键代谢产物的新方法

以上讨论的化合物可以很好的解释第一个问题,那就是植物是如何与根际微生物相互作用的。然而,光是这些还远远不够,因为根系分泌物的组成是及其复杂的,且受到植物发育阶段、植物种类、土壤类型和其他生物或非生物因素的影响较大。为了更加深入地了解植物与根际细菌的相互作用机理,人们研究开发了新的技术。胞外代谢组学的方法,特别是非靶向无目的性的胞外代谢组学方法,为人们提供了关于根系分泌物的复杂性以及它们是如何受到微生物群落影响的详细信息,是人们能够从分泌物、代谢物等混合物中研究细菌对于底物的偏好性。通过比较胞外代谢组学数据,很有可能找到调节植物与细菌相互作用的关键化合物。当根系分泌物作为根际细菌的碳源时,外代谢组学方法也可以用于分析植物和根际微生物之间的交叉取食现象。这种新方法让人们可以从数百种代谢物中研究细菌对底物的偏好性,从而模拟真实地根际环境。

4. 结论

近期在植物与微生物之间的根际信号识别的研究方面人们取得了突破性的进展,这表明根系分泌的代谢物能够帮助植物塑造其根际微生物群落。人们同时还揭示了一个由微生物衍生的化合物和代谢物形成的动态复杂的信号网络。当前的挑战是如何进一步确定信号网络的组成成分,并且了解微生物组的组成和功能改变的机制,例如养分的有效利用或病原菌的抑制方面。上述的新方法在将来进一步的研究中意义重大。利用自然变异和代谢组学有助于进一步确定信号网络的成成分,且与SynComs一道有助于回答某个单一根际代谢物功能的问题。土壤微生物群落成员之间的相互作用需要更进一步的关注以及对土壤理化性质的研究。最后,了解植物是如何塑造其根系微生物群落有益于生物施肥策略的发现,利用特定的信号物质为处于特定土壤环境中的植物招募有益微生物。

根际互作生物学研究室 简介

根际互作生物学研究室是沈其荣教授土壤微生物与有机肥团队下的一个关注于根际互作的研究小组。本小组由袁军副教授带领,主要关注:1.植物和微生物互作在抗病过程中的作用;2 环境微生物大数据整合研究;3 环境代谢组及其与微生物过程研究体系开发和应用。团队在过去三年中在 isme J, Microbiome, PCE,SBB,Horticulture Research等期刊上发表了多篇文章。欢迎关注 微生信生物 公众号对本研究小组进行了解。

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