植物源代谢物与根际微生物组功能互作增强干旱胁迫耐受性的机制研究

　　本研究针对植物如何通过根际微生物组增强干旱胁迫耐受性的机制问题，通过整合宏基因组学与代谢组学技术，揭示了干旱适应生态型Andropogon gerardii通过调控三甲基赖氨酸（TML）代谢途径，特异性招募具有营养吸收、抗氧化应激和生长促进功能的微生物群落，从而形成"主场优势"的生态适应策略。该研究为利用微生物组工程提升作物抗逆性提供了理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱胁迫已成为制约农业生产和自然生态系统稳定的关键因素。植物在长期进化过程中与根际微生物形成了复杂的共生关系，这种互作关系如何增强植物对环境胁迫的适应性，特别是干旱胁迫的耐受机制，一直是生态学和微生物学领域的研究热点。传统的植物抗逆性研究多集中于植物自身的生理生化响应，而对植物通过调控根际微生物组形成"主场优势"（home field advantage）的机制认识不足。植物根际沉积的代谢物作为植物-微生物对话的化学语言，如何特异性招募具有有益功能的微生物群落，尤其是在干旱胁迫条件下，这一科学问题亟待深入探索。

本研究以北美优势草原禾草Andropogon gerardii为模式植物，利用已建立10年的异地移植花园实验平台，整合宏基因组学（shotgun metagenomics）和代谢组学（metabolomics）方法，揭示了植物生态型、环境降水梯度与根际微生物组功能互作的内在联系。研究发现干旱适应生态型在干旱环境中通过调控三甲基赖氨酸（trimethyllysine, TML）代谢途径，特异性招募具有营养吸收、抗氧化应激和生长促进功能的微生物群落，从而形成"主场优势"的生态适应策略。该研究成果于2025年发表在《Genome Biology》期刊。

研究人员采用的主要技术方法包括：①基于液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）的植物根际代谢物非靶向检测技术；②宏基因组鸟枪法测序（shotgun metagenomic sequencing）结合基因中心（gene-centric）和基因组中心（genome-centric）分析方法；③从干旱与湿润生态型根际土壤中分离培养微生物并进行单细胞基因组测序；④采用DIABLO多组学数据整合分析框架（Data Integration Analysis for Biomarker discovery using Latent cOmponents）解析代代谢物-微生物组关联网络。

不同生态型呈现差异化的代谢谱特征

通过非靶向代谢组学分析，从24个根际样本中鉴定到1191种代谢物，包括氨基酸（17.72%）、酚酸（12.68%）、脂质（12.68%）和生物碱（9.49%）等类别。干旱适应生态型在干旱地区（Hays）表现出更低的三甲基赖氨酸（TML）水平，同时富含具有抗菌和抗氧化功能的代谢物如lupane-20(29)-en-3-on-28-oic acid和4-hydroxybenzoic acid 4-(6-O-sulfo)glucopyranoside。这表明干旱生态型在原生环境中处于较低应激状态。

微生物功能潜能而非分类组成决定生态型适应性

宏基因组分析显示，干旱生态型根际中Kribbella speibonae的相对丰度显著升高，该菌具有催化3-磷酸氧基丙酮酸转化为磷酸丝氨酸的能力，参与丝氨酸、半胱氨酸和甘氨酸的生物合成。相反，湿润生态型则富集了L-半胱氨酸生物合成VI（来自L-甲硫氨酸）和5'-脱氧腺苷降解II等应激相关通路，表明其在非原生环境中承受更高应激压力。

宏基因组组装基因组揭示微生物适应性机制

通过基因组中心分析获得34个非冗余宏基因组组装基因组（MAGs），涵盖Patescibacteria、Pseudomonadota、Desulfobacterota等10个门类。在干旱地区显著富集的5个MAGs（MAG3、4、5、10、15）与宿主TML水平呈正相关。这些MAGs携带EnvZ/OmpR渗透调节系统、GlrKR双组分系统等应激响应基因，以及群体感应（quorum sensing）、生物膜形成和根际定殖相关基因阵列。

TML代谢通路介导植物-微生物互作

网络分析表明，TML作为肉碱生物合成前体，与微生物的氨合成、植物生长促进物质（如芳基硫酸酯酶、环状β-1,2-葡聚糖合成酶）和抗氧化酶（锰过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶）产生能力密切相关。从干旱生态型分离的Arthrobacter pascens和Pseudarthrobacter sulfonivorans菌株具有完整的TML→TMA→TMAO（三甲胺-N-氧化物）代谢潜能，TMAO作为渗透保护剂可增强微生物和植物的干旱耐受性。

本研究通过多组学整合分析揭示了植物生态型通过代谢编程调控根际微生物组功能的分子机制。干旱适应生态型通过降低应激代谢物TML的产生，特异性招募具有营养活化、抗氧化保护和生长促进功能的微生物群落，形成互惠共生的"主场优势"。该研究不仅深化了对植物-微生物互作生态进化机制的理解，也为开发基于微生物组的农业抗逆解决方案提供了新思路——通过调控关键代谢通路如TML代谢网络，可定向构建增强作物抗旱能力的根际微生物群落。未来研究需进一步解析TML信号转导途径，并通过合成微生物群落验证其功能，为应对气候变化下的农业可持续发展提供理论基础。