Nature Plants | 云南师范大学联合多家单位解析植物三萜转运蛋白调节根际微生物菌群提高植物抗性的新机制

2022年8月1日，Nature Plants在线发表了云南师范大学、中国农业科学院农业基因组研究所、华南农业大学、首都师范大学、南京农业大学和麻省理工学院等多家单位共同完成的题为“Root-secreted bitter triterpene modulates the rhizosphere microbiota to improve plant fitness”的论文。该研究报道了葫芦科瓜类作物苦味物质葫芦素转运分子机制，并发现植物从根表皮细胞外排葫芦素改变根际微生物群落组成，进而提高植物对枯萎病的抗性。

目前已发现的植物三萜化合物超过20000余种，它们在植物和环境互作中发挥着重要作用，也是药物、保健品及化妆品的重要来源。因此，阐明植物三萜化合物合成、调控及运输机理，不仅将为作物品质与抗性育种提供分子靶标，也是利用合成生物学技术开发这些植物天然产物商业价值的前提。目前，绝大多数研究集中于解析植物三萜产物的合成及调控机制，而关于植物三萜转运的机制研究较少，相关转运蛋白此前也未见报道。

葫芦素是葫芦科植物特有的三萜类化合物，具有令人不悦的苦味。蔬菜或水果在可食用部位积累葫芦素将严重影响其商品品质。另一方面，葫芦素具有很好的抗虫、保肝、消炎、抗癌等功效。在前期研究中，团队围绕葫芦素生物合成、调控、驯化及结构多样性等方面开展了系统性研究(Science 2014, Nature Plants 2016, Molecular Plant 2017)。

在本研究中，团队首先明确甜瓜、西瓜可从根部向土壤中外排葫芦素B和葫芦素E。接着，利用组学大数据，从甜瓜、西瓜基因组中分别鉴定到一个MATE转运蛋白基因(CmMATE1和ClMATE1)。该基因不仅与葫芦素合成基因成簇分布，且被前期发现的葫芦素调控因子直接调控。同时利用酵母微粒体体系和卵母细胞表达体系证明了CmMATE1/ClMATE1可运输葫芦素B及葫芦素E。CmMATE1/ClMATE1基因编辑突变体进一步证明了该转运蛋白参与了植物体内葫芦素的转运，且该转运过程受到葫芦素生物合成调节。

根际微生物组被称为植物的“第二基因组”，可影响植物根系的生长发育、根系对生物和非生物的抗性以及根系对营养摄取等过程。近年来，研究人员发现植物根系产生的次生代谢产物在选择性塑造根际微生物组方面发挥着重要作用，然而这些代谢产物从根系转运到根际土壤及其调控根际微生物组的作用机制并不清楚。

在明确植物通过CmMATE1/ClMATE1外排葫芦素B/E至根际土壤的基础上，团队通过分析了根际微生物16S rRNA及宏基因组测序数据，发现甜瓜根系分泌葫芦素B可招募特定的根际菌群并增强植物的抗病性。进一步通过分离土壤根际微生物及体外实验，团队发现葫芦素B可促进根际肠杆菌生长，解除了葫芦素B对根际典型拮抗细菌——芽孢杆菌的抑制作用，从而提高了根际芽孢杆菌丰度，并建立了甜瓜对土传病原菌——镰刀菌的有效防御。本研究为植物天然产物转运机制研究以及转运蛋白如何调控植物根际微生物组提供了新的见解。

甜瓜从根系分泌葫芦素B提高抗病性模型

中国农科院农业基因组研究所、华南农业大学联培博士生仲阳、南京农业大学资源与环境科学学院副教授荀卫兵和首都师范大学生命科学学院博士生王霄汉(现为中科院遗传与发育生物学研究所博士后)为本文共同第一作者。中国农科院农业基因组研究所、麻省理工学院联培博士后马永硕和云南师范大学马铃薯科学研究院教授尚轶为本文共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划“合成生物学”重点专项、云南省“杰出青年”项目和深圳市大鹏新区科技创新与产业发展专项的资助。

（生命科学学院、马铃薯科学研究院供稿）