植物根系分泌物影響菌群結構

Introduction

1、rhizolsphere與microbiota

① Rhizosphere在生態中存在的意義

② 在rhizosphere中，植物與微生物co-evolution上億年，二者存在interaction，並且形成某些pattern

③ rhizosphere effect指2個方面：① 植物有選擇的富集土壤微生物；②植物根的生長活性

④ 目前關於rhizosphere與微生物的研究現狀：植物的發育影響土壤微生物的組成和功能，很少有人研究植物分泌物的分子化學機理對rhizosphere microbiota的影響

2、plant exudates與microbiota

① plant exudates雖然種類很多，但大部分都是photosynthesis-derived carbon【11-40%】

② plant exudates的組成會受到植物自身與環境的影響

③ 已有的研究表明：plant exudates影響植物rhizosphere microbiota的組成：會吸引有益微生物，提高植物對環境的適應性

④ 已有的研究已經證實很多小的訊號分子影響rhizosphere中植物與微生物的互作，但這些小分子只是exudates中的一小部分，而對於root exudate chemistry與microbial substrate preferences 之間的interaction還不清楚，作者希望研究這種interaction，找到rhizosphere中微生物群體的組成和演化的pattern

Result 1：分離培養了土壤中的細菌

1、分菌的理論支援

土壤是一個微生物的bank，植物的微生物全部來源於此；rhizosphere對微生物的選擇不是隨機的，是有pattern的。為了研究燕麥root exudates與微生物間的關係，獲得微生物是關鍵。

2、細菌的分離培養【圖1】

① 用多種培養基【暗示土壤中的細菌的生長需求不同】去分離soil【來源於燕麥的主產區】中的細菌【他們分離獲得了Acidobacteria】

② 獲得了289株細菌，其中39株測了基因組【16s可區分，覆蓋全部phylum，實際環境中丰度高】

3、將39株菌進行實際功能註釋

藉助之前環境樣品的資料，將39株菌分為【圖2】：

這一結果與前人的研究存在overlap

Result 2：不同Group細菌的基因組feature不同

這塊分析依賴於菌的全基因組測序結果

1、2個group的菌generation time不一樣

Positive responder的generation time比negative responder的長，在實驗室中也證明了這一點。作者推測：生長速率慢的菌可能擁有更高的底物利用效率，這樣的菌可能更適合在rhizosphere中生存

2、2各group的菌transporter和glycoside hydrolases有差異

Amino acids和organic acids transporter在positive responder中更富集；glycoside hydrolases在negative responder中更富集【作者推測：這是為了更容易吸收那些活性低的底物】
以上僅是測序資料，需要實驗證據的進一步驗證

Result 3：燕麥不同生長階段根系分泌物代謝物分析

在水培體系【可以更好地控制實驗條件】中收集不同生長階段的root exudates【主要是水溶性化合物】做分析

① Week 6與9的exudates metabolite profile相似，與week3和9相差明顯【圖a】

② 分析metabolite profile：Root exudates組成會隨著植物生長時間發生變化【圖b】

Result 4：Rhizosphere 細菌對root exudates的利用有偏好性

Result 5：Predicting microbial response to root growth based on exudate composition and isolate substrate preferences

① 用上述分析過基因組的那些菌構建model

② 通過model得到的主要結論
細菌的relative abundance與exudates metabolite之間有strong relationship；exudates中有11個代謝物在model中表現突出，其中4個屬於organic acids

③ 驗證model
用4個Fig.2中的undefined的菌【知道菌的上下調關係，只是不顯著】，這些菌的substrate uptake preferences作為predictors，經model分析後，有3個菌與實際樣品中的表現一致，表明菌對代謝物的吸收特性可以作為predictor預測其在rhizosphere中表現

④ model的缺點
構建model時可以用的菌的資料有限,但是model預測的結果與Result 4很大程度一致

Conclusion

知識點 1：核糖體與 rRNA

參考文獻37總結

【nature microbiology,letters,2016】
【關於growth rate與growth efficiency】
Exploiting rRNA operon copy number to investigate bacterial reproductive strategies

細菌基因組中rrn【ribosomal RNA operons 】拷貝數可以預測細菌的growth rate與growth efficiency 。
生長速率快的菌擁有較多的rrn拷貝數【圖a，這樣的菌更適合生長與營養豐富的環境】，生長速率慢但生長效率高的菌擁有較少的rrn拷貝數【圖b，這樣的菌更適合生長於營養匱乏的環境】。

知識點3：語法總結

1、好的句子中，修飾成分要與被修飾成分靠近

Eg. Functional traits of soil isolates in the context of the life in the rhizosphere.

【of soil isolate 修飾traits; in the context of the life 修飾isolates; in the rhizosphere修飾life】

2、可以修飾名詞的成分

n.+n.【前一個n.做adj.功能】

adj.+n.

n.+prep.+n.【prep.包含of】

n.+現在分詞/過去分詞

n,+從句

3、文章中單詞學習

① Given this co-evolution and the pivotal importance of plant–microbial interactions……【基於，鑑於】

② As slower-growing organisms can have higher substrate utilization efficiency, perhaps growth efficiency is
favoured over growth rate in the rhizosphere. 【As 的用法：as作副詞，表示“同樣地”；as作連詞，引導狀語從句；as作介詞，“好像，當做”】

③ Plants secrete a cocktail of chemicals through their roots that vary in composition over plant developmental stages and nutritional status. 【介詞，在這裡相當於during】

④ Further global analysis of root exudate metabolite uptake by isolates
showed that the uptake of most root exudate metabolites was similar across isolates with a large percentage of major proteinogenic amino acids, nucleotides and sugars taken up by all isolates.【with作狀語可以修飾謂語，可以修飾句子，作補充成分】

⑤ We then tested for significant differences in root exudate metabolite uptake across positive and negative responders to root growth.【= between】

知識點4：參考文獻23和42

參考文獻23：Plant growth and phenolic compounds in the rhizosphere soil of wild oat (Avena fatua L.)【野生燕麥會產生酚類化合物，並釋放至rhizosphere中】【frontiers in plant science,2013】

有這樣一個自然現象：野生燕麥會影響crop的生長與產量，導致weed和crop之間的這種negative interaction可能是因為植物之間的allelopathy

什麼是allelopathy呢？Allelopathy is defined as any positive or negative effects that one plant has over another through chemicals that escape into the environment through root exudation, leaching and volatilization, and through the decomposition of plant residues

已有報到發現：wild oat通過在rhizosphere中釋放有毒物質【酚類化合物】抑制wheat的生長，實現allelopathy【但作用機制沒有在這篇文章中提及】

參考文獻42：Plant-Derived Sucrose Is a Key Element in the Symbiotic Association between Trichoderma virens【Tv】 and Maize Plants【sucrose影響plant-microbe interaction】【plant physiology,2009】

已知背景：① plant-derived Suc as a nutrient for fungal cells and also as part of the molecular dialogue between Trichoderma and root cells；② Inv是蔗糖水解酶，在很多致病真菌中存在，當真菌侵染植物時，lnv的表達上升；③ Trichoderma species are nonpathogenic, soil-borne (free-living) fungi that also colonize roots of numerous plants，它的好處主要表現為：protect crops against diseases and increase crop yield under field conditions

科學問題：the molecular mechanisms that govern the recognition and association between Trichoderma and their hosts are still largely unknown

主結論： plant-derived sucrose (Suc) is an important resource provided to Trichoderma cells and is also associated with the control of root
colonization

思路：利用酵母中的Inv，同源尋找Tv中的Inv→通過缺失Tv中的Inv，證明其確實可以編碼有功能的Inv→Inv的缺失會抑制Tv的生長【在以Suc為碳源的培養基】→Inv的缺失會disturb【突變體表現為induce】 Tv定殖玉米的根→定殖於根的Tv通過降解植物來源的Suc促進植物葉片光合作用基因表達和光合速率

知識點5：在rhizosphere中，介導plant-microbe之間的interaction的化合物

參考文獻26：The role of flavonoids in root–rhizosphere signalling: opportunities and challenges for improving plant–microbe interactions 【Journal of experimental botany,2012】

【這是篇綜述，總結了flavonoid在rhizosphere中的研究進展】

① 黃酮類化合物【flavonoids】是苯丙素類代謝物，由很多代謝途徑和成員組成【圖1】

② flavonoids存在根中【圖2】【但不確定是不是主要存在於根中】，是root exudates中的很大一部分

③ Flavonoids影響根瘤菌的結瘤，flavonoids作為化學引誘物吸引根瘤菌，enhance根瘤菌中nod基因的表達，促進結瘤過程

④ Flavonoids促進菌根真菌孢子萌發，菌絲分支和定殖植物的能力

⑤ Flavonoids可以抵抗根系病菌【真菌的研究較多】，以cell death的方式起到殺菌效果：化合物被氧化釋放毒性活性離子導致cell death；降解膜上的ATP酶和線粒體呼吸電子傳遞體實現cell death

⑥ Flavonoids的其他功能：介導植物間的allelopathic，作為mimic影響rhizosphere中細菌的群體感應, and 螯合土壤營養元素

參考文獻51：Tomato seed and root exudate sugars: composition, utilization by Pseudomonas biocontrol strains and role in rhizosphere colonization 【證明糖可以決定微生物的定殖，但微生物的定殖也可以不依賴糖，有2個重要結論】【Enviromental microbiology, 1999】

① glucose是tomato root exudates中主要的糖類，the ratios of these sugars were strongly dependent on the developmental stage

② 結論一:No correlation was observed between the colonizing ability of a strain
and its ability to use the major exudate sugars as the only carbon and energy source

③ 結論二：the ability to use exudate sugars does not play a major role in tomato

知識點6：參考文獻14-擬南芥root exudates與root microbiota

Application of Natural Blends of Phytochemicals Derived from the Root Exudates of Arabidopsis to the Soil Reveal That Phenolic-related Compounds Predominantly Modulate the Soil Microbiome 【The journal of biological chemistry, 2013】

已知的背景：植物會通過release of phytochemicals 影響rhizosphere microbiome

科學問題：How these phytochemicals【root exudates】 could modulate the microbial composition of a soil inthe absence ofthe plant
實驗方法：分離擬南芥root exudates，然後用其處理土壤【去除植物，種植過擬南芥】
擬南芥root exudates的組成：

The phenolics category includes organic acids, fatty acids, and aliphatic and aromatic amino acids.

主要結論:

① root exudates在不同的分類水平影響土壤微生物組成

② Exudates與微生物之間的作用方式：一種exudate可以culture不同的OTU；混合的exudate對某些OTU有相同的作用；一種exudate對不同的OTU表現的作用方式不同：stimulate or deterrent

③ phenolic-related compounds showed positive correlation with a higher number of unique OTUs compared with other groups of compounds (i.e. sugars, sugar alcohols, and amino acids)

備註：
Interestingly, the majority of compounds related to phenolics, sugars, sugar alcohols, and amino acids did not show correlation with the phyla Proteobacteria and Bacteroidetes.

熱心腸導讀

Nature子刊：植物根系分泌物對根系菌群的動態調節
gaoch 05-01 熱心腸日報
原標題：植物根系分泌物中有活力的化學成分和微生物的底物偏好性協同驅動根際微生物群落的組裝模式
① 通過比較基因組學和代謝組學等方法，研究土壤微生物分離株和根系分泌物在植物-微生物互作中的作用；② 比較基因組學分析39個分離株，發現隨植物根系生長而增加/減少的細菌之間，生長速度、基因組大小、多種基因的拷貝數顯著不同；③ 代謝組學分析植物根系分泌物，發現根際細菌喜歡消耗芳香有機酸（菸鹼，莽草酸，水楊酸，肉桂酸和吲哚-3-乙酸）成分，但兩種細菌底物偏好性仍然存在差異；④ 植物通過根系分泌物調節根際菌群，促進自身生長。
根系分泌物根際菌群植物-微生物互作土壤菌群

Reference

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