根際微生物組中細(xì)菌趨化系統(tǒng)的生態(tài)功能

孫 雨,常晶晶,田春杰

中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長春 130102

根際作為土壤與植物間物質(zhì)交換的活躍界面,其物理、化學(xué)以及生物學(xué)特性與周圍土壤都存在著顯著差異[1]。在根際這一特殊的生態(tài)環(huán)境中,與植物根系相關(guān)的微生物種類和數(shù)量巨大[2]。根際微生物在植物的生長發(fā)育以及抵抗逆境脅迫方面都扮演著重要的角色[3],包括促進(jìn)植物對營養(yǎng)元素的獲取及利用[4-5]、調(diào)控植物的生長和環(huán)境適應(yīng)性[6-7]等。根際微生物組與非根際土壤微生物組在物種多樣性和豐富度方面均存在顯著差異[8],其中植物根系的調(diào)控作用是決定根際微生物組群落結(jié)構(gòu)的重要因素之一[9]。因此,深入揭示植物對根際微生物組的選擇機(jī)制不僅可以在理論方面增進(jìn)對植物-微生物互作關(guān)系的認(rèn)識(shí),還能在實(shí)際應(yīng)用中指導(dǎo)根際微生物組的改良與重組,對未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大意義。

植物調(diào)控根際微生物組的重要策略之一是通過根系分泌化合物,選擇性招募特定根際微生物[10-11]。在這一過程中,土壤微生物通過何種機(jī)制來感應(yīng)根系分泌物,響應(yīng)植物的招募？細(xì)菌的趨化反應(yīng)給出了一種答案。土壤中存在一類趨化細(xì)菌,能夠利用自身獨(dú)特的趨化系統(tǒng)感應(yīng)其生存環(huán)境中存在的化學(xué)物質(zhì)濃度梯度,通過一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程調(diào)控細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)方向,使細(xì)菌趨近吸引物而趨離排斥物[12-13]。趨化細(xì)菌在沒有化合物濃度梯度的環(huán)境中,其運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的,向前直線運(yùn)動(dòng)數(shù)秒后停下“翻筋斗”,然后再以不同的方向繼續(xù)直線運(yùn)動(dòng),以“直線運(yùn)動(dòng)-轉(zhuǎn)變方向-直線運(yùn)動(dòng)”這一過程循環(huán)往復(fù)[14]；當(dāng)周圍環(huán)境中存在吸引物(碳源等營養(yǎng)物)的濃度梯度時(shí),趨化細(xì)菌轉(zhuǎn)變方向的頻率降低,能夠延長向高濃度區(qū)直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,總體表現(xiàn)為細(xì)菌趨近吸引物[15]。

細(xì)菌的趨化反應(yīng)是其對碳源、能源競爭的一種表現(xiàn),體現(xiàn)了細(xì)菌的主動(dòng)適應(yīng)性。Wuichet和Zhulin[16]基于全基因組數(shù)據(jù),對近400株細(xì)菌的趨化系統(tǒng)進(jìn)行了分析,推測絕大部分的細(xì)菌可能都具有趨化性。但是,目前針對細(xì)菌趨化系統(tǒng)的研究主要集中在分子層面對其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和作用機(jī)理的解析,缺少從生態(tài)學(xué)的角度揭示其在植物根際微生物群落結(jié)構(gòu)和功能中的表現(xiàn)和作用。本文以根際微生物組中的細(xì)菌趨化系統(tǒng)為核心,針對國內(nèi)外最新研究進(jìn)展,從以下三個(gè)方面進(jìn)行綜述,提出了研究根際細(xì)菌趨化系統(tǒng)生態(tài)功能的具體方向,旨在闡明根際細(xì)菌趨化系統(tǒng)的生態(tài)功能,增進(jìn)對根際微生物組的募集組裝過程的認(rèn)知,以及為根際微生物組的重組構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 細(xì)菌趨化系統(tǒng)的組成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

細(xì)菌的趨化反應(yīng)是在長期進(jìn)化過程中形成的“趨利避害”的本能,研究人員以大腸桿菌(Escherichiacoli)[17]、芽孢桿菌(Bacillusspp.)[18]、假單胞菌(Pseudomonasspp.)[19]等為對象,對細(xì)菌的趨化反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。細(xì)菌的趨化系統(tǒng)是原核生物中最為復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)之一,雖然不同細(xì)菌中趨化系統(tǒng)的組成有一定差異,但是其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及調(diào)控機(jī)制在所有細(xì)菌中是相對保守的[15]。

細(xì)菌趨化系統(tǒng)由以下一系列不同功能的蛋白組成：趨化受體蛋白Mcps(Methyl-accepting Chemotaxis Proteins)、支架蛋白CheW/CheV、組氨酸激酶CheA、反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白CheY、甲基酯酶CheB、甲基轉(zhuǎn)移酶CheR、磷酸酶CheC/CheX/CheZ、以及脫酰胺酶CheD[16]。趨化系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及調(diào)控機(jī)制如下(圖1)：Mcps負(fù)責(zé)結(jié)合胞外趨化信號,并通過支架蛋白CheW/V與CheA相連；Mcps結(jié)合信號物質(zhì)后調(diào)控CheA的組氨酸激酶活性,進(jìn)而將信號向下游的CheY傳遞；被CheA磷酸化的CheY(CheY-P)通過鞭毛蛋白FliM與鞭毛-馬達(dá)復(fù)合體相互作用,調(diào)控細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)方向。共同構(gòu)成“適應(yīng)系統(tǒng)”的CheB和CheR互相競爭,調(diào)控Mcps的甲基化狀態(tài)從而調(diào)節(jié)其對信號物質(zhì)的結(jié)合親和力,不斷“重置”細(xì)菌趨化系統(tǒng)的靈敏度。磷酸酶CheC/CheX/CheZ能夠?qū)heY-P去磷酸化,使CheY持續(xù)接受來自CheA的磷酸基團(tuán)。脫酰胺酶CheD則能夠調(diào)節(jié)CheC的磷酸酶活性,并作用于Mcps。這一套精密運(yùn)作的趨化系統(tǒng)使細(xì)菌能夠靈敏感應(yīng)胞外信號物質(zhì)的濃度梯度,適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。

圖1 細(xì)菌趨化系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖Fig.1 A summary model illustrates the organization of bacterial chemotaxis systemsMcps: 趨化受體蛋白;V/W: 支架蛋白CheV 和CheW;A: 組氨酸激酶CheA;B: 甲基酯酶CheB;R: 甲基轉(zhuǎn)移酶CheR;D: 脫酰胺酶CheD;C/X/Z: 磷酸酶CheC/CheX/CheZ;Y: 反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白CheY;P: 磷酸基團(tuán);CH3: 甲基; 銨根;本模式圖在大腸桿菌趨化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,集中了當(dāng)前細(xì)菌趨化系統(tǒng)研究的模式菌(包括芽孢桿菌、假單胞菌等)中已鑒定的所有蛋白組分,帶有輪廓線的組分與灰色箭頭標(biāo)注的反應(yīng)不存在于大腸桿菌中

2 細(xì)菌趨化系統(tǒng)介導(dǎo)植物與微生物間相互作用

近年來,大量的研究證明了細(xì)菌趨化系統(tǒng)能夠介導(dǎo)植物與微生物相互作用。在根瘤菌和豆科植物共生體系的建立過程中,豆科植物根系分泌類黃酮等化合物,根瘤菌則能夠利用趨化系統(tǒng)感應(yīng)這一類信號分子從而靠近植物根系表面,Cooper[20]因此總結(jié)：根瘤菌對豆科植物根系分泌的信號分子的趨化反應(yīng)是二者建立共生關(guān)系的第一步。此外,在根際促生菌與植物的互作中細(xì)菌趨化系統(tǒng)也發(fā)揮重要作用。Allard-Massicotte等[21]發(fā)現(xiàn),模式植物擬南芥的根系分泌物能夠誘導(dǎo)芽孢桿菌B.subtilis產(chǎn)生趨化反應(yīng)進(jìn)而吸引其達(dá)到根系,并且B.subtilis對擬南芥根系的成功定殖依賴于其完整的趨化系統(tǒng)；芽孢桿菌B.velezensis對作物玉米、黃瓜根系分泌物的趨化反應(yīng)調(diào)控了其對宿主的根系定殖[22-23]。此外,另外一類典型的根際促生菌假單胞菌如P.fluorescens、P.putida等的趨化系統(tǒng)在其對宿主植物玉米、番茄根系定殖中的重要作用也得到了驗(yàn)證[24-25]。除了根瘤菌和根際促生菌等有益菌,一些植物病原菌也能夠利用自身的趨化系統(tǒng)感應(yīng)植物根系分泌物,通過趨化反應(yīng)靠近植物根系并起始侵染致病過程。Hida等[26]研究發(fā)現(xiàn),番茄根系分泌物能夠誘導(dǎo)青枯雷爾氏菌Ralstoniapseudosolanacearum產(chǎn)生趨化反應(yīng),促進(jìn)其向番茄根際的運(yùn)動(dòng)及對番茄根系的定殖。

上述的研究主要針對單一菌株與植物的互作,在群落水平上,也有研究證明了細(xì)菌趨化系統(tǒng)在介導(dǎo)植物與微生物互作中的重要作用。Kamutando等[27]對入侵樹種銀荊的研究發(fā)現(xiàn),其根際土壤中細(xì)菌趨化系統(tǒng)相關(guān)基因的豐度顯著高于非根際土壤；Xu等[28]對全球范圍內(nèi)六個(gè)大洲的柑橘根際微生物組的研究表明,細(xì)菌趨化系統(tǒng)相關(guān)基因在柑橘根際核心微生物組中顯著富集。但是,當(dāng)前在群落水平上對細(xì)菌趨化系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)仍有局限,將趨化系統(tǒng)作為一個(gè)整體考慮是可以理解的,然而趨化系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng),不同組分的進(jìn)化速率和變異程度可能并不完全同步,所以針對信號系統(tǒng)各組分的細(xì)致研究對深入揭示其生態(tài)功能至關(guān)重要。

3 植物對根際細(xì)菌趨化系統(tǒng)的選擇及其調(diào)控機(jī)制

研究表明,不同植物根際細(xì)菌趨化系統(tǒng)的分布存在一定差異,主要體現(xiàn)在豐度和多樣性方面。在趨化基因豐度方面,Mendes等[29]對大豆根際微生物組的研究發(fā)現(xiàn),抗鐮刀菌根腐病大豆的根際趨化基因豐度顯著高于易染病大豆,并且趨化基因的豐度與根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度呈正相關(guān)。在趨化基因多樣性方面, Buchan等[30]采用了“T-RFLP”(Terminal restriction fragment length polymorphism,末端限制性片段長度多態(tài)性)技術(shù)對小麥和豇豆根際細(xì)菌趨化系統(tǒng)中核心基因cheA的序列多樣性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)根際趨化細(xì)菌中cheA序列的多樣性低于非根際細(xì)菌,且在兩種植物根際間差異顯著。但是上述研究受當(dāng)時(shí)技術(shù)所限,缺少對全部趨化基因的系統(tǒng)分析,尤其是趨化系統(tǒng)中受外界信號調(diào)控的組分,包括結(jié)合外界信號物質(zhì)的趨化受體mcp,以及調(diào)控趨化受體結(jié)合物質(zhì)靈敏度的cheB和cheR。由于趨化系統(tǒng)介導(dǎo)了植物與微生物間的互作,根際微生物組中趨化基因的豐度能夠一定程度上體現(xiàn)植物與微生物間互作關(guān)系的強(qiáng)弱,趨化基因的多樣性則體現(xiàn)了植物對細(xì)菌趨化系統(tǒng)的特異性選擇。當(dāng)前,對根際趨化相關(guān)基因的豐度和多樣性,以及其體現(xiàn)的植物對趨化系統(tǒng)的選擇缺少認(rèn)識(shí),仍需進(jìn)行深入探索。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前利用宏基因組分析結(jié)合傳統(tǒng)熒光定量PCR手段已能夠?qū)崿F(xiàn)對特定信號通路中相關(guān)基因的豐度和多樣性進(jìn)行分析。

細(xì)菌趨化系統(tǒng)能夠感應(yīng)植物的根系分泌物,已有的研究結(jié)果表明,多種不同類型的根系分泌物包括蘋果酸、草酸等有機(jī)酸[31-32],組氨酸、精氨酸等氨基酸[33-34],甘露糖、半乳糖等糖類[23, 35],以及酚酸[36]、苯并惡唑嗪酮[37]等次級代謝產(chǎn)物都能夠誘導(dǎo)根際趨化細(xì)菌產(chǎn)生趨化反應(yīng)。Zhang等[38]通過HPLC鑒定了黃瓜和香蕉根系分泌物中的有機(jī)酸,并分別檢測了芽孢桿菌屬細(xì)菌B.amyloliquefaciens和B.subtilis對兩種植物根系分泌物的趨化反應(yīng),發(fā)現(xiàn)黃瓜根系分泌物中特有的檸檬酸能夠誘導(dǎo)B.amyloliquefaciens和Bacillussubtilis產(chǎn)生趨化反應(yīng),而香蕉根系分泌物中特有的延胡索酸只能誘導(dǎo)B.subtilis產(chǎn)生趨化反應(yīng)。該研究表明,植物能夠通過分泌特定的化合物對趨化細(xì)菌進(jìn)行特異性選擇,而這一選擇實(shí)現(xiàn)的前提則是細(xì)菌的趨化系統(tǒng)決定了其對何種化合物會(huì)產(chǎn)生趨化反應(yīng)。從群落水平的角度來說,植物的根系分泌譜與根際細(xì)菌趨化系統(tǒng)的組成之間一定存在特定關(guān)系,這正是植物實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌趨化系統(tǒng)特異性選擇的基礎(chǔ)。此外,之前的研究主要是在實(shí)驗(yàn)室條件下利用特定的單一化合物或多種化合物進(jìn)行細(xì)菌趨化反應(yīng)的誘導(dǎo),缺少針對根系分泌物與細(xì)菌趨化反應(yīng)間的全面系統(tǒng)性研究,以及更深層次上與環(huán)境生態(tài)因子的復(fù)合影響效果。

植物根系代謝組學(xué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對植物根系分泌物中初級、次級代謝產(chǎn)物的定性及定量分析[39],已成為植物代謝研究的常用手段。比如,M?nchgesang等[40]通過根系代謝組學(xué)技術(shù)對19種不同基因型擬南芥的根系分泌物譜進(jìn)行了解析,建立了擬南芥基因型與其根系分泌物譜之間的聯(lián)系；Zhalnina等[41]通過比較基因組學(xué)和代謝組學(xué)的聯(lián)合分析,發(fā)現(xiàn)特定細(xì)菌對根系分泌物中芳香類有機(jī)酸的代謝偏好性決定了其在燕麥根際的特異性富集。因此,未來可利用植物代謝組學(xué)技術(shù)深入探索植物對細(xì)菌趨化系統(tǒng)特異性選擇的調(diào)控機(jī)制。

4 趨化細(xì)菌類群在根際微生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)控中的功能

在自然生態(tài)系統(tǒng)中,微生物之間通過營養(yǎng)代謝、信號交流、生存空間的競爭與共享等進(jìn)行競爭或者協(xié)作[42]。在根際微生物組群落結(jié)構(gòu)的調(diào)控因素中,除宿主植物外,微生物間相互作用也是重要因素之一[43]。細(xì)菌趨化系統(tǒng)不僅能夠介導(dǎo)植物-微生物間相互作用,還能夠介導(dǎo)微生物間相互作用。Garbeva和de Boer[44]研究發(fā)現(xiàn),假單胞菌屬細(xì)菌Pseudomonassp.和土地桿菌屬細(xì)菌Pedobactersp.在碳源限制的條件下共同生長時(shí),表現(xiàn)出競爭性相互作用,且二者的趨化基因表達(dá)水平都顯著提高,證明了趨化系統(tǒng)在介導(dǎo)細(xì)菌種間競爭中的功能。Lu等[45]對通過種間協(xié)作提高產(chǎn)氫效率的梭菌屬細(xì)菌Clostridiumcellulovorans和紅假單胞菌屬細(xì)菌Rhodopseudomonaspalustris進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析,發(fā)現(xiàn)C.cellulovorans分泌的揮發(fā)性脂肪酸可能作為R.palustris的趨化吸引物,導(dǎo)致其趨化基因表達(dá)水平上調(diào),說明趨化系統(tǒng)同樣能夠介導(dǎo)細(xì)菌的種間協(xié)作。此外,Haq等[46]的研究表明,趨化系統(tǒng)還能夠介導(dǎo)伯克霍爾德菌屬細(xì)菌Burkholderiaterrae與離褶傘屬Lyophyllum和木霉屬Trichoderma真菌間的相互作用。以上研究主要針對單一菌株間的相互作用,在群落水平上,細(xì)菌趨化系統(tǒng)在調(diào)控微生物間相互作用進(jìn)而影響群落結(jié)構(gòu)方面同樣起到重要作用,但是其生態(tài)功能仍缺少深入研究。

近年來,生物信息學(xué)家開始使用共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析來探索微生物間相互作用并預(yù)測微生物群落中的關(guān)鍵核心類群[47-48]。比如,Agler等[49]研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥葉際微生物組共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)中處于關(guān)鍵核心位置的特定微生物類群,能夠通過微生物間相互作用傳遞環(huán)境和宿主對微生物群落的影響效應(yīng),明確了關(guān)鍵核心類群的調(diào)控功能。Ye等[50]最新的研究表明,一株捕食性粘細(xì)菌Corallococcussp. EGB能夠通過趨化反應(yīng)感應(yīng)黃瓜的根系分泌物進(jìn)而向根部遷移,在遷移過程中,捕食病原菌尖孢鐮刀菌Fusariumoxysporumf. sp.cucumerinum；共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析的結(jié)果表明,這一捕食性粘細(xì)菌還能夠調(diào)控土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。該研究結(jié)果揭示了趨化細(xì)菌類群在土壤微生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)控中的生態(tài)功能,為后續(xù)的研究提供了重要借鑒。

圖2 根際微生物組中的趨化細(xì)菌類群Fig.2 A model illustrates the function of chemotactic bacteria in rhizosphere microbiome

5 展望

綜上,研究總結(jié)提出根際微生物組中細(xì)菌趨化系統(tǒng)的作用機(jī)制,細(xì)菌趨化系統(tǒng)感應(yīng)植物根系分泌物,介導(dǎo)趨化細(xì)菌與植物間的相互作用；進(jìn)一步,趨化細(xì)菌類群利用趨化系統(tǒng)與其他微生物類群發(fā)生相互作用,作為關(guān)鍵類群在根際微生物富集中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。因此,細(xì)菌趨化系統(tǒng)在根際微生物組募集組裝過程中發(fā)揮著關(guān)鍵的生態(tài)功能,這一功能的解析將是揭示植物對根際微生物組選擇機(jī)制的重要突破口之一(圖2)。

針對根際微生物組中細(xì)菌趨化系統(tǒng)的生態(tài)功能,建議未來研究方向從解析宿主植物對細(xì)菌趨化系統(tǒng)的選擇規(guī)律入手,明確趨化基因在根際的多樣性及分布規(guī)律；然后建立根系分泌物與趨化系統(tǒng)的聯(lián)系,闡明宿主植物對趨化系統(tǒng)特異性選擇的調(diào)控機(jī)制；并進(jìn)一步探索關(guān)鍵趨化細(xì)菌類群在根際微生物群落結(jié)構(gòu)中的調(diào)控功能。研究方法上,在擴(kuò)增子高通量測序和宏基因組測序的基礎(chǔ)上,進(jìn)行代謝組學(xué)檢測,并結(jié)合菌株分離回接驗(yàn)證等,將分子生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和微生物學(xué)等相關(guān)知識(shí)有效融合,最終揭示細(xì)菌趨化系統(tǒng)在植物對根際微生物組選擇中的作用機(jī)制,增進(jìn)對根際微生物組募集組裝過程的認(rèn)識(shí),為根際微生物組的改良重組提供理論依據(jù)。