田間種植楊樹的木質素合成對內生細菌微生物影響
一、導讀
肉桂醯輔酶A還原酶（CCR）是木質素生物合成途徑一種重要的酶，其相關研究對於降低木質素水平和改善木質纖維素提供了很好的商業可行性。然而，CCR基因的沉默會導致木質素合成途徑出現巨大的變化，最終導致各種酚類化合物在木質部積累。在這裡，我們評估了田間種植的宿主基因型的依賴效應，分別探究了楊樹根、莖、葉中的根際細菌群落和內生微生物。通過使用選擇性分離和富集技術從植物的各部分分離出與植物相關的細菌，CCR基因下調對植物內生微生物組成產生顯著影響，而對根際微生物群無明顯影響。而根際部位兩種楊樹的代謝能力與菌群結構表現出很多的相似性，則表明植物基因中微小遺傳變異會改變植物微生物的宿主基因型。
二、論文ID
原名：Lignin engineering in field-grown poplar trees affects the endosphere bacterial microbiome
譯名：田間種植楊樹的木質素合成對內生細菌微生物影響
期刊：PNAS
IF：9.66
發表時間：2016年
通信作者：Bram Beckers
通信作者單位：Centre for Environmental Sciences, Hasselt University
三、實驗設計
四、實驗結果
第一條證據鏈
為了比較細菌細胞的總數，從野生型和缺少CCR楊樹的根際土壤和植物各部位中分離細菌，在營養培養基上採用非選擇性的方法培養。結果顯示，在葉中比在莖中的細菌計數略微多一些，可能是通過氣孔的內生菌定殖導致的。非選擇性方法中，缺少CCR的楊樹中的細菌計數高於野生型。在其內生部位，降解特定酚類碳源的能力明顯增強，阿魏酸作為唯一碳源時表現出最顯著差異。
圖1 用細菌細胞計數來表示每克土壤或每克新鮮植物組織中菌落形成單位。A 兩種基因型的細菌細胞從不同部位非選擇性分離。B ～D用阿魏酸選擇性分離細菌細胞。B芥子酸；C對香豆酸；D酸作為唯一的碳源。
第二條證據鏈
根際土壤的選擇性分離中，從缺少CCR的楊樹中獲得的細菌細胞數量與野生型相似，但在缺少CCR的樣本根，莖和葉內的細菌丰度一直較高。我們觀察到來自缺少CCR樣本的細菌細胞計數比野生型的細菌細胞計數明顯更多。這種差異可歸因於基因沉默導致不同基因型之間的差異，因此可能會影響到植物與相關細菌群落。在根際土壤中，細菌群落根據NMDS分析所顯示的基因型顯示沒有相關的聚類，而植物各部位的差異表現高度一致性。由於CCR基因沉默，宿主基因型施加的選擇性壓力可利用的碳和能源的變化使得內生細菌更適合去除複雜的酚類化合物。
圖2 在每個取樣部位阿魏酸作為唯一的碳源選擇性富集的細菌細胞和基因型。
第三條證據鏈
為了量化每個分離的細菌的阿魏酸降解能力，並由此評估CCR基因沉默對各個細菌代謝的影響，我們用Biolog MT2平板對所有鑒定的細菌菌株進行呼吸計量評估。在根際土壤中，野生型和缺少CCR楊樹的細菌對阿魏酸降解能力高度相似。相比之下，內生菌群的細菌代謝在兩種基因型之間具有顯著差異。除莖外，缺少CCR的楊樹代謝均勻度顯著低於野生型，表明CCR中較高的呼吸響應是限於特定的菌株。
圖3 呼吸新陳代謝分析
五、研究結論
宿主的基因型效應已經在植物中被發現，宿主基因型對CCR缺陷型楊樹內生細菌部位的代謝能力和細菌種類有著顯著的影響，對根際細菌群落沒有顯著影響。我們的數據顯示CCR下調帶來的影響超過參考書中描述的擾亂木質素生物合成的影響。由於CCR基因表達差異產生積累的化合物被內生菌群進一步代謝，產生的新的代謝產物可能會干擾預期的表型。
六、點評
已知人體消化道中細菌菌群結構與宿主的基因型緊密相連，並會影響我們的生活和克服疾病的能力。植物基因型的變化會影響相關細菌群落結構，然而對於野外種植的植物其健康和生產力仍然是未知的。該試驗揭示宿主基因型與植物和微生物間的關聯，對於理解植物代謝途徑以及可能利用真核生物與原核生物協同作用在植物修復應用，作物的可持續生產和次生代謝產物的產生是至關重要的。
本文由微生太殷繼忠編譯，殷繼忠、江舜堯編輯。
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