百趣土壤非靶标代谢组学文献分享，来自Microbiome的灵感

今天小编要和大家分享的是BIOTREE协助客户发表在Microbiome上的关于土壤抗性遗传的一篇文章。

发表期刊：《Microbiome》

影响因子：9.133

合作单位：南京农业大学

据百趣代谢组学小趣了解，植物方面的高分文章并不好发，那这篇文章到底做了啥？竟能发到影响因子为9.133的期刊！快来看看原因吧!

1百趣代谢组学文献分享-研究背景

自然界中，植物会不断地受到各种微生物病原体的攻击和侵染，但我们都知道世间万物，相生相克，总是一物降一物，所以即使在病原体存在和有利于疾病发展的气候条件下，一些土壤也具有抑制植物病害的能力。

据报道，这种天然抑病土壤可用于各种农作物的疾病预防，例如小麦立枯病、马铃薯疮痂病和香草枯萎病等。有人认为这种土壤的抑病作用与土壤中特定微生物的丰度有关，即高丰度有益微生物可以通过产生抗菌化合物直接抑制病原体，也可通过刺激植物的免疫系统间接抑制病原体，这种现象称为诱导系统抗性（ISR）。

土壤非靶代谢组学，那抑病土壤中的高丰度有益微生物是怎么来的呢？前人提出了“求救”假设，即植物在受到攻击和侵染时，会富集和维持特定的有益微生物，从而使得土壤中这种抑病的“特异功能”得以传承。

不过也有人认为植物根系分泌物和其他根源分子在其中起到了作用，那到底是什么在其中发挥了作用？还是都有参与呢？大家在里面又都扮演着什么样的角色呢？下面百趣代谢组学小趣为大家解开谜底！

2研究方法

这篇文章通过在同一土壤中连续种植五代拟南芥来调节土壤。土壤非靶代谢组学，在每一代中，用丁香假单胞番茄致病变种DC3000（简称Pst）侵染拟南芥叶片作为病原条件组，无菌水接种的作为对照组，通过这种方式构建病原体条件土壤和对照条件土壤，整个实验设计可见图1。

图1 实验设计示意图

1.实验分组

按土壤条件分：病原条件土壤组与对照条件土壤组

按土壤位置分：根际土壤组与非根际土壤组

2.百趣代谢组学文献分享-检测平台

代谢组学：GC-TOF/MS（根系分泌物） LC-QQQ/MS（茎组织）

16S rRNA测序：Illumina MiSeq（土壤）

常规PCR、化学成分分析、生化试验等

3百趣代谢组学分享-研究结果

（1）病原条件土壤可提高下一代植物抗病性

对生长在两种条件土壤中的7日龄拟南芥幼苗叶片接种Pst，侵染 7d后，结果发现生长在病原条件土壤中的拟南芥发病率显著低于对照组（图2A），表明连续种植五代受侵染植株传承下来的土壤可提高第六代植株的抗病性。

（2）病原条件土壤可通过诱导植物体内茉莉酸（JA）水平上升来提高抗病性

分别用这两种条件土壤种植7日龄拟南芥幼苗（未接种的健康植株）28d，称量地上植株鲜重，结果显示种植在病原条件土壤中的植株鲜重显著低于对照组（图2B），众所周知，在没有病原体的情况下，防御的激活是以植物性能为代价的。因此，在病原体条件土壤上观察到的生长抑制可能是植物代谢向生长方向转变的结果。

同时采集植株茎组织部分进行激素含量检测，研究发现病原条件处理组茉莉酸（JA）含量显著升高，水杨酸（SA）含量显著降低（图2C），说明前几代地上病原侵染的植株带来的土壤传承是通过诱导第六代植株茉莉酸（JA）水平上升来增强植株抗性。而我们也知道SA和JA信号通路相互拮抗，所以JA的水平上升导致SA水平的下降也是可以理解的啦。

那小编就想了，这会不会跟这两种条件土壤中营养成分不同有关？土壤中是不是也存在病原菌Pst，要是存在，怎么判断是土壤传承的作用还是土中病原菌诱导的结果呢？

为了解除我们的疑惑，文中也做了相应的工作，研究发现两种条件的土壤之间pH和营养素含量（NH4+，NO3-，AP和AK）并不存在显著差异（表1）。PCR也未检测到土壤中的病原菌（图3），其在土壤中的含量低于检测限，表明植物抗性增强很可能不是土壤中病原菌存在的结果。

图2 不同条件土壤对植物抗病性、生长和激素方面的影响

表1 两种条件土壤PH值和营养成分含量检测结果

图3 Pst PCR检测结果

（3）地上病原菌侵染对土壤微生物群落影响显著

分别用这两种条件土壤种植7日龄拟南芥幼苗（未接种的健康植株）28d，采集根际土壤和非根际土壤进行16s rRNA检测。分析发现非根际土壤与根际土壤间微生物群落存在显著差异（PERMANOVA，P<0.001），证明植物是具有根际效应的。病原条件组与对照组均存在显著的差异，但奇怪的是，还发现非根际土壤间的差异（PERMANOVA ，P<0.001）比根际土壤间（PERMANOVA ，P<0.031）的更为显著，这个与常规逻辑不符，文中猜测可能是由于实验中只分析了未接种植株条件下的土壤微生物群落情况，未接种植株的根际效应可能干扰了我们观察地上病原体侵染对根际土壤微生物调节作用的能力。

文中通过Bray-Curtis 距离分析发现，非根际土壤处理间有3个ASV存在显著差异，根际土壤处理间有5个ASV存在显著差异（图4），但目前结果只能得到总体的差异，还不能确认特定微生物或组合对植物抗性的影响程度。不过总体上，我们是知道了受侵染植物对土壤微生物群落结构有显著影响，那这种影响是通过什么来实现的呢？我们再往下看。

图4土壤微生物群落组成变化

（4）根系分泌物中氨基酸和长链有机酸（LCOAs）诱导增强植株抗性

文中用水琼脂液体培养基收集根系分泌物，并通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）进行检测分析。结果显示病原侵染组与对照组间代谢物存在显著差异，其中醇、短链有机酸（SCOA）和糖在病原处理组中的含量显著降低，而氨基酸和长链有机酸（LCOAs）的含量则显著增加（图5）。

为了更好地理解差异释放的化合物对土壤微生物的影响，文中通过重复添加病原侵染组根系分泌物中过量和不足的化合物的混合物来调节土壤。根据化合物丰度选取代表性的氨基酸和长链有机酸、短链有机酸和糖类化合物配成一定浓度的混合溶液（图5 ）处理土壤，制备土壤浆液和无菌土壤浆液（滤膜处理）混于高压灭菌混合物（蛭石和沙子1:1）中，用制备好的“土壤”种植7日龄拟南芥幼苗，两周后接种Pst进行抗病性评估。实验表明，LCOAs和AAs（L + A）混合物处理组植株抗性显著高于其他处理组（图6A），无菌条件下各处理组均不能显著增强植株抗性（图6B）。

此外文章中还做了（L + A）土壤浆液与（S+S）土壤浆液不同配比组合实验来评估赋予抗性所需的微生物量。分析发现微生物量越多，植物抗性越强，而无菌土壤浆液都不能赋予这种抑病作用。以上结果都表明，将LCOA和AAs的混合物施用于土壤中可诱导植物抗性，但这个过程微生物群落介导作用必不可少。

图5植物根系分泌物代谢变化

图6 不同渗出化合物组合处理的抗性评估

4百趣代谢组学分享-小结

（1）叶片病原体Pst的侵染引发了土壤抗性的遗传，诱导了下一代植物的抗性；

（2）前几代受侵染植物带来的土壤可通过诱导植物体内茉莉酸（JA）水平上升来提高抗病性；

（3）植物受病原侵染会引起土壤微生物群落结构发生显著变化，证实了“求救”假说；

（4）将LCOA和AAs的混合物施用于土壤中可诱导植物抗性增强，但这个过程微生物群落介导作用必不可少。

图7 叶片病原菌诱发土壤抗性遗传的机理模型

好了，整篇文章内容我们大致有了了解，大家知道为啥这篇文章能发高分了吗？百趣代谢组学小趣认为整篇文章思路非常清晰，首先是有了明确的功能（土壤抗病），提出了造成这个功能的可能原因（病原、土壤微生物和根系分泌物），后续通过一层层实验探索，最终完整地构建出一个比较清晰的叶片病原菌诱发土壤抗性遗传的机理模型（图7），即病原菌侵染植物叶片，诱导植物根系分泌物组成变化，从而富集有益微生物群落，有益微生物群落又可以反过来诱导植物表型发生变化（如植物激素水平）来应对病原菌的侵染。

这篇文章的研究思路还是很值得借鉴的，希望给大家一点启发。