杨树根系黄酮类化合物通过富集假单胞菌促进氮素利用与次生根发育的分子机制

为解决植物基因型如何通过代谢物调控根际微生物群落组装的关键科学问题，中国科学院的研究团队开展了杨树基因-代谢物-微生物互作网络研究。通过多组学分析发现，Leuce杨树通过GL3基因调控三萜素(tricin)分泌，特异性富集假单胞菌(Pseudomonas)，显著提升低氮环境下氮素吸收和次生根发育能力。该研究揭示了植物代谢物驱动微生物组装的分子机制，为农林作物抗逆育种提供了新策略。

　　

植物生长表现是遗传网络架构的功能体现，而根系微生物组变异驱动植物功能性状的重要性日益受到关注。然而，调控这种变异的遗传机制研究相对匮乏。杨树作为全球广泛栽培的速生用材树种，不同基因型表现出显著生长差异，但宿主基因型如何调控低氮条件下微生物群落组装及其功能变化的遗传机制尚不清楚。

中国科学院的研究团队收集了来自4个杨树组(Leuce、Aigeiros、Tacamahaca和Turanga)9个物种的根系和根际土壤，整合代谢组、转录组和微生物组数据，构建了全面的多组学分析体系。研究发现，生长旺盛的Leuce杨树根系比生长较差的杨树富集更多假单胞菌(Pseudomonas)，且假单胞菌与三萜素(tricin)和芹菜素(apigenin)生物合成强烈相关。通过分子实验证实，GLABRA3(GL3)基因对三萜素分泌至关重要，通过组成型转录PopGL3和查尔酮合成酶(PopCHS4)可提高三萜素分泌，驱动假单胞菌在根际定殖，进而增强杨树在贫氮土壤中的生长、氮素获取和次生根发育能力。该研究揭示了植物-代谢物-微生物调控模式对杨树适应性的贡献，深入解码了三萜素的关键调控机制，为理解植物关键代谢物与其转录组和根际微生物的相互作用提供了新见解。

研究团队主要采用了多组学整合分析、细菌分离培养与功能验证、基因编辑与转基因技术、稳定同位素标记等方法。通过Illumina MiSeq测序分析16S rRNA基因V3-V4区，结合代谢组和转录组数据构建共表达网络；从Leuce杨树根际土壤分离假单胞菌菌株，通过15N同位素标记验证其固氮功能；利用CRISPR-Cas9技术构建PopGL3和PopCHS4过表达株系，结合激光共聚焦显微镜观察细菌定殖情况。

研究结果显示，不同杨树组间生长参数存在显著差异，Leuce组表现出最优的生物量。土壤移植实验证实基因型特异性微生物群对杨树生长的正向反馈作用。微生物组分析发现Leuce组根际显著富集假单胞菌(13.77%)，而Turanga组仅2.76%。共表达网络分析将17,698个差异表达基因和2,579个ASVs分为6个共表达簇，其中簇IV(富集于Leuce)包含与黄酮代谢相关的基因和微生物。

实验验证表明，5μM三萜素和100μM芹菜素可增强假单胞菌的群集运动能力，上调鞭毛相关基因(motA、fliG、bifA)和生物膜形成基因(algU)表达。接种假单胞菌使杨树地上部生物量增加26.04%-48.03%，叶片氮含量提高7.98%-10.15%。在无菌低氮培养基中，接种Pto1使杨树次生根数量和长度增加2.88倍，该促进作用在氮充足条件下消失。

分子机制研究发现，PopGL3通过调控过氧化物酶2(PopPA2)、PopF3'H等基因表达影响黄酮合成。过表达PopGL3或PopCHS4可激活PopF3'H和黄酮合成酶(PopFNS)转录，增加根际三萜素释放。转基因株系根际微生物组中假单胞菌丰度显著提高，红色荧光蛋白标记实验证实其定殖增强。

该研究首次构建了杨树基因-黄酮-微生物的共表达网络，揭示了三萜素介导的"呼救"策略：在低氮胁迫下，杨树通过GL3基因上调三萜素分泌，特异性招募具有固氮功能的假单胞菌，形成"马太效应"式的正反馈循环。这一发现不仅阐明了植物基因型通过代谢物调控微生物组装的分子机制，也为利用植物-微生物互作提高作物氮素利用效率提供了新思路。研究提出的"自上而下"调控模型，即功能基因通过代谢物调控重塑根际微生物群落，为设计合成微生物群落改善植物适应性提供了理论依据。