基质电位与渗透电位变化对北京变球菌（Variovorax beijingensis）转录的影响

《mSystems》：Effects of matric vs osmotic potential changes on Variovorax beijingensis transcription

研究分析了Variovorax beijingensis在不同渗透势和基质势下的基因表达响应，发现两种水势调控机制下68%的差异性表达基因（DEGs）方向一致，但基质势变化导致更多基因差异。主要涉及能量代谢、氨基酸合成及植物促生长相关基因。研究揭示了土壤水势变化对微生物转录调控的独立影响及共同响应机制。

　　土壤中的水分势是调控微生物可利用水分的关键因素，它受到渗透势和基质势的共同影响，随着土壤变干，这两种势都会变得更加负值。虽然这两种参数可以独立地改变水分势，但它们对微生物响应的遗传机制尚不清楚，可能存在不同的机制让微生物应对这些水文参数的变化。为了探讨微生物对基质势和渗透势变化的独立响应，我们评估了土壤和液体培养基中不同水分势条件下 *Variovorax beijingensis* 的生长和转录情况。我们发现，这种微生物能够在稀释的最小培养基（-240 ± 104 kPa）、含蔗糖的液体培养基（-1,323 ± 21 kPa）以及覆盖相似压力范围的基质中进行呼吸作用。我们展示出这四种条件下的全球基因表达模式存在显著差异，即使当基质势和渗透压被设定为相似值时也是如此。然而，当渗透压从-240 kPa转变为-1,323 kPa时，观察到的68%差异表达基因（DEGs）也出现在基质势从-183 kPa转变为-1,393 kPa的条件下。当渗透压和基质势接近植物萎蔫点时，两种条件都表现出与氨基酸、甜菜碱和能量代谢相关的DEGs，以及促进植物生长的基因。尽管在 *Variovorax* 的转录响应上存在较大的重叠，但基质势变化导致的基因表达差异更多，约为2.55倍。

这项研究的重要性在于，它揭示了土壤水分特性如何影响微生物行为，从而影响土壤健康。土壤水分的持水能力，由土壤盐度（渗透势）和质地（基质势）等参数控制，这些参数通过影响土壤水分势来改变生物可利用水分。然而，由于在自然环境中，多个非生物和生物参数同时变化，建立这些参数如何影响微生物行为仍是一个挑战。因此，为了研究土壤微生物在动态水分变化下的机制性响应，我们分别调整渗透压和基质势，并进行了RNA测序分析。我们观察到在所有分析条件下，转录组存在差异，但当渗透压和基质势接近植物萎蔫点时，有一组基因的表达变化模式相似，表明这些转录变化可能与调控土壤水分势的机制无关。

土壤微生物生活在动态的环境中，随着气候变化，水文极端事件正在加剧。干湿循环可以导致土壤中二氧化碳排放的增加，这种增加是由于微生物在土壤湿润后代谢活动的激增。微生物的生长在土壤湿润后会被刺激，这是土壤二氧化碳释放到大气中的一个已知但尚未完全理解的驱动因素。微生物基因表达也会随着湿润后的生长阶段而变化。在湿润后，土壤微生物首先集中于产生能量和修复DNA，然后调整基因表达以获取碳和能量。此外，土壤研究还揭示了土壤外部环境特征对湿润后呼吸峰值的影响，包括相对稳定的特征如土壤质地和在干湿循环中动态变化的参数，如渗透质浓度、碳和氮代谢物浓度以及土壤基质势，后者是由毛细作用驱动的。我们对土壤微生物在干湿循环后呼吸变化的驱动因素理解仍有限，因为在自然环境中，多个非生物和生物参数同时变化。

土壤中生物可利用水分的量由土壤水分势（Ψ）决定，而水分势又由四个参数组成：渗透势（Ψ_o）、基质势（Ψ_m）、重力势（Ψ_g）和水柱的静水压（Ψ_p）。一项近期研究强调了技术上的不足，限制了我们对土壤水分势变化下生物响应的理解。土壤水分势的原位测量有限，且很少与多组学测量同时进行。此外，还没有研究直接比较不同压力参数对微生物转录的影响，如渗透势和基质势，这两者在土壤变干时都会变得更加负值。这一研究空白限制了在田间研究中探讨土壤微生物对动态水分变化的机制性响应的数据可用性。渗透势和基质势在土壤干湿循环中是共变的，因为湿润会降低溶解溶质的浓度，并改变水分子与土壤颗粒的相互作用。这使得区分渗透势和基质势对微生物行为的独立影响变得困难。

微生物对渗透胁迫的响应已被广泛研究。这些响应包括合成相容性溶质如脯氨酸、海藻糖和甜菜碱，吸收环境中的溶质，以及分泌多糖。土壤质地对植物适应性的生态水文作用已在降雨波动的背景下进行研究，而微生物对质地环境的响应也得到了探讨。某些微生物在基质压力变得更加负值时，细胞存活率下降，一些微生物对基质势变化的敏感性更高，这与渗透胁迫类似。此外，研究还表明，土壤基质和湿润程度共同影响微生物的表型。大量研究探讨了土壤水分势对群落组成的影响，以及它们的转录响应。然而，这些研究并未比较渗透势和基质势变化是否会导致相同的群落组成和基因表达变化。一些研究已经比较了微生物对渗透势和基质势变化的响应。一项研究发现，微生物代谢物的变化在渗透胁迫增加时比基质胁迫更为显著。另一项研究则指出，基质胁迫对微生物呼吸的负面影响比渗透压变化更大。虽然这些研究表明微生物可能通过不同的方式应对由渗透和基质胁迫引起的水分势变化，但尚未对单个土壤微生物的全球基因表达进行严谨比较。

为了更好地理解土壤微生物如何应对渗透势和基质势变化，我们分别调整这些参数，并研究它们对植物生长促进微生物 *Variovorax beijingensis* 的影响。我们选择了一个在模型土壤群落中被发现支持几丁质降解的菌株。由于土壤微生物在湿润前的持久性是生物贡献于“ Birch效应”的关键，我们首先了解这种微生物在土壤变干时能维持的水分势范围。通过监测呼吸作用，我们发现 *V. beijingensis* 能在由添加渗透质或改变土壤质地引起的水分势变化下维持其活力。使用RNA测序技术，我们绘制了由渗透势和基质势变化引起的转录响应。虽然在渗透势和基质势接近植物萎蔫点时，转录响应存在显著差异，但有大量基因的表达变化模式相似，表明这些转录变化可能与改变土壤水分势的机制无关。

在液体培养基中，我们评估了 *V. beijingensis* 在不同渗透压下的生长情况。我们发现该微生物在所有分析条件下都能生长，并且在渗透压较高的情况下，OD值增加。当使用露点湿度计测量每种液体培养基的水分势时，我们发现该微生物能够在从-150 kPa到-1,500 kPa的范围内生长，其中-1,500 kPa代表大多数植物的永久萎蔫点。这些结果表明，M9最小培养基，其盐分被稀释10倍（-240 ± 104 kPa），可以作为研究渗透质和基质效应的参考。尽管之前的研究没有记录该微生物的渗透质耐受性，但这种水分势代表了植物根际环境中不会引起压力的值。因此，我们将使用该液体培养基进行后续实验。

为了探讨基质势变化对 *V. beijingensis* 转录的影响，我们研究了该微生物在基质条件下的基因表达变化。我们发现，当基质势变化时，基因表达模式发生了显著变化，这表明基质势变化对微生物行为有重要影响。此外，我们还发现，当基质势变化时，某些基因的表达变化与渗透压变化相似，但并非完全相同。这些发现揭示了微生物在面对不同水分势变化时，基因表达的相似性和差异性。

研究结果表明，当渗透压和基质势接近植物萎蔫点时，微生物的基因表达变化模式相似，但具体机制可能有所不同。尽管如此，这两种水分势变化都导致了相似的基因表达变化，这表明微生物可能通过共同的机制应对水分势的变化。这些发现不仅加深了我们对土壤微生物在干旱和湿润条件下的行为理解，还为农业实践提供了新的视角，特别是在土壤水分管理方面。此外，研究还揭示了土壤微生物基因表达变化如何影响土壤中的碳循环和养分可用性，这可能对农业可持续性产生深远影响。通过进一步研究不同土壤基质和渗透质条件下的基因表达变化，我们可以更好地理解微生物在土壤环境中的适应机制，并为缓解干旱和盐碱胁迫提供科学依据。