研究论文● 期刊Cell Host Microbe● DOI: https://doi.org/10.1016/j.chom.2026.03.002链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1931312826000892● 第一作者陈实王阳● 通讯作者韦革宏(weigehongnwsuaf.edu.cn)焦硕 (shuojiaonwsuaf.edu.cn)● 发表日期2026-03-30● 主要单位西北农林科技大学摘要Abstract根际微生物对植物生长和抗逆性至关重要然而微生物多样性如何塑造大豆的抗旱能力尚不明确。本研究通过稀释灭绝法构建了土壤微生物多样性梯度发现高微生物多样性显著提高了大豆在干旱胁迫下的生长表现。整合代谢组学与转录组学分析发现高微生物多样性特异性诱导根系分泌2-萘甲酸。体外底物利用与突变体验证实验表明该代谢物选择性招募关键微生物类群——中华根瘤菌Sinorhizobium CS204。分子对接结合微量热泳动实验揭示了该代谢物与氮循环蛋白之间的直接相互作用从而增强S.CS204的反硝化作用和固氮能力。2-萘甲酸与S.CS204联合施用可显著改善干旱条件下植物的养分吸收和光合作用。综上本研究揭示了根际微生物多样性通过触发根系代谢物分泌、招募关键功能类群并建立微生物-植物协同增效机制进而提升作物抗旱能力的重要作用。研究背景干旱正日益成为全球粮食生产面临的重大挑战。根际作为植物与微生物互作的核心区域其微生物组的多样性构成了植物抗逆性的重要生态学基础在调控作物健康与生长中发挥着关键作用。然而根际微生物多样性究竟如何调控并缓解干旱胁迫其背后的深层生态学原理仍未被充分阐明这也是当前植物-微生物互作研究中的重要科学问题。在胁迫条件下植物根系分泌物不仅是碳源更是重塑根际微生物群落的关键信号分子。干旱期间植物会释放多种代谢物以选择性招募有益微生物。这些被招募的微生物通过强化细胞膜完整性、调节渗透平衡来增强植物抗性并诱导宿主发生代谢重编程。尽管如此根际微生物多样性究竟是如何精细调控根系分泌模式并借此组建有益微生物组以应对干旱其机制至今仍知之甚少。本研究以重要油料作物大豆为对象采用稀释灭绝法构建土壤微生物多样性并进行温室盆栽实验证明了高根际微生物多样性可显著提升大豆的耐旱性。通过整合多组学分析与分子生物学技术鉴定出一种微生物多样性特异性诱导分泌的代谢物2-萘甲酸该物质能有效招募并激活有益菌株中华根瘤菌的功能潜力且2-萘甲酸与中华根瘤菌联合施用能够提升原位土壤中大豆的抗旱性图1。图1| 整体实验设计流程图a从农田采集土壤并制备三个梯度的微生物稀释梯度10-1、10-4和10-7用于构建不同土壤微生物多样性水平的处理组。b将大豆种子播种于具有不同微生物多样性梯度的土壤中并施加干旱胁迫处理分别于复水后第4天及第28天成熟期采集根际土壤和根样品同步收集对应处理的根系分泌物与根系转录组测序样本。c整合多组学分析方法鉴定促进植物生长的关键细菌分类群及功能代谢物。通过无菌盆栽实验评估分离菌株与代谢物对植物干旱耐受性及定殖能力的协同效应体外实验检测菌株对目标代谢物的利用能力及趋化响应定向构建菌株突变体并结合微量热泳动MST实验验证互作机制结合菌株基因组分析与原位土壤盆栽实验进一步阐明干旱条件下核心代谢物-微生物协同作用的生物学机制。结果与结论根际微生物多样性驱动干旱后大豆的恢复为评估土壤微生物多样性在干旱胁迫后植物恢复中的作用本研究建立了土壤微生物多样性梯度并追踪了大豆的恢复动态。实验结果表明图2干旱会显著降低大豆的生物量和产量但高微生物多样性缓冲了这一损伤。线性混合效应模型分析表明相较于根内微生物根际微生物多样性对植物生长具有更强的支撑作用且在干旱处理下效果更明显凸显了根际生态位在抗旱恢复中的功能重要性。此外跨界共现网络分析表明干旱处理下高微生物多样性使细菌和真菌类群具有更强的耦合效应与网络复杂性而在低多样性条件下干旱则严重破坏了这种跨界协同作用。因此高丰度的根际微生物不仅能支撑干旱后植物生长还能通过构建复杂的跨界互作网络驱动大豆在干旱后的恢复。图2| 干旱扰动后的植物生理响应和微生物组动态a在正常浇水W和干旱D条件下大豆产量随微生物多样性梯度的变化。右上角插图展示了三个多样性梯度中干旱处理相对于对照组的产量损失百分比。数据以均值±标准误表示n8。b不同微生物多样性梯度下根际和根内菌群的相对微生物成熟度。c, d在干旱和对照条件下根际多样性对复水早期c和收获期d植物生长指数效应量的影响采用线性混合效应模型估算。e, f在干旱D4、D28和对照W4、W28处理下随机森林模型识别的对e根际细菌和f真菌植物生长指数具有显著贡献的扩增子序列变体ASVs的系统发育树。D4和W4分别为短期复水过程中的干旱和对照处理组D28和W28分别为长期复水过程中的干旱和对照处理组。饼图展示了四种处理条件下在不同门分类水平上对植物生长显著贡献的ASVs数量占比。g, h在干旱g和对照h条件下短期复水过程中显著相关细菌与真菌网络模块间的耦合强度随多样性梯度的变化。i在不同微生物多样性梯度下细菌和真菌网络中关键节点与对植物生长指数具有显著贡献的ASVs的对应比例。j细菌和真菌关键节点的网络复杂性指标。D1、D4和D7分别代表对应三个微生物多样性稀释梯度10-1、10-4和10-7的干旱处理样品W1、W4和W7代表相同稀释梯度下的正常浇水对照样品。不同字母表示差异显著。注nsP 0.05P 0.05P 0.01P 0.001。根际微生物多样性诱导根系代谢物与转录组的重编程为探究根际微生物多样性如何塑造植物的代谢与分子响应本研究对干旱后的大豆根系进行了代谢组与转录组的联合分析。结果表明图3干旱胁迫导致了根系分泌物的显著变化代谢物多样性随微生物多样性的降低而升高。通过网络与回归分析发现高微生物多样性梯度下大豆根系特异性富集了苯类化合物和脂质与类脂分子。这些代谢特征与植物在干旱下的良好生长表现高度正相关表明在高微生物多样性梯度下植物可能通过释放特定分泌物来促进有益互作。转录组数据进一步印证了这一规律即在高微生物多样性梯度下干旱诱导的差异表达基因数量和相关胁迫通路的富集程度均降至最低相反低微生物多样性梯度则迫使植物启动了更广泛、更剧烈的次级代谢与氧化胁迫响应。这些多组学证据一致表明高根际微生物多样性能够有效缓冲干旱带来的冲击显著降低大豆根系在胁迫后恢复期所需的分子与代谢“重编程”成本从而以更经济的方式维持植物的生长与抗逆性。图3 |根际微生物多样性驱动干旱后早期恢复期根系代谢与转录组的重编程a干旱与对照条件下根系分泌物代谢组的主坐标分析PCoA并进行置换多元方差分析PERMANOVA检验。b在干旱和对照条件下采用箱线图分析不同多样性梯度间的化学多样性并采用峰峦图比较对照与干旱处理组之间的差异。c基于根系代谢组谱采用加权基因共表达网络分析WGCNA鉴定代谢物模块的热图。依据代谢物在样品间的丰度模式相似性将其归并为26个共表达模块各模块以任意颜色标签标注仅作为模块识别符。每行对应一个代谢物模块每列代表一个独立的代谢组样品。样品沿横轴排列包括短期复水后采集的干旱处理样品D1、D4、D7和正常浇水样品W1、W4、W7分别对应三个微生物多样性稀释梯度10-1、10-4和10-7。每个处理组包含四个生物学重复。色标表示各代谢物模块在不同样品间的模块水平标准化丰度黄色代表相对较低值深绿色代表相对较高值。d采用beta回归模型分析在干旱和对照条件下富集于10-1D1和W1、10-4D4和W4和10-7D7和W7微生物多样性梯度的代谢物所参与的KEGG代谢通路。e在10-1D1和W1梯度下干旱和对照条件中对植物生长指数PGI具有显著贡献的代谢物。f在干旱条件下苯类化合物及脂质与类脂分子在不同微生物多样性梯度D1、D4和D7间的相对含量。数据以均值±标准误表示n4。g在不同微生物多样性梯度干旱组D1、D4和D7及相应对照组W1、W4和W7中响应干旱胁迫的富集基因数量。h在10-1D1、10-4D4和10-7D7微生物多样性梯度下干旱胁迫处理组根系相对于对照条件富集的基因本体论GO功能类别。注%IncMSE变量置换后模型均方误差的增加百分比。*表示经随机森林模型筛选对PGI具有显著贡献的代谢物P 0.05。D干旱处理W正常浇水处理。***P 0.001**P 0.01*P 0.05。微生物多样性驱动的根系代谢物介导根际关键类群的选择性招募鉴于高微生物多样性会引发植物特异性的代谢重编程本研究进一步揭示了这些根系代谢物在招募关键微生物中的桥梁作用图4。通过分离培养与盆栽实验结果表明干旱胁迫下特异富集的2-萘甲酸能够显著促进大豆生长并且能提升中华根瘤菌S.CS204的生物膜形成与IAA产量两者联合施用则呈现出更强的协同抗旱效应。为探明招募机制高效液相色谱分析结合体外菌株接种实验表明干旱是触发大豆分泌2-萘甲酸的先决条件而高微生物多样性则特异性放大了这种代谢物的积累效应。总之本研究揭示了一条精妙的植物介导途径即高根际微生物多样性并不直接决定关键菌株的存活而是通过诱导宿主根系大量分泌2-萘甲酸等特定代谢物进而“定向招募”并激活以S.CS204为代表的抗旱核心微生物类群最终实现对大豆干旱胁迫的有效缓解。图4 |多样性诱导的根系代谢物介导了关键菌株的招募与干旱缓解a关键代谢物与关键节点ASVs显著相关性的热图仅展示显著关联。纵轴显示30个ASVs在科分类水平的注释信息。红色标记表示可商业购买的代谢物及已从根际分离的细菌库中匹配到的细菌菌株。b不同浓度2-萘甲酸处理对大豆幼苗抗旱性的评估。上面板不同浓度2-萘甲酸处理28天后盆栽植株的代表性图像。下面板不同浓度梯度和干旱处理下植株总鲜重的变化。CK和D分别代表正常对照和经10% PEG 6000处理的胁迫处理组。c五株细菌分离菌株及合成菌群SynCom对大豆幼苗干旱耐受性的评估。左面板中华根瘤菌CS204和SynCom处理的代表性图像。右面板各处理对植株总鲜重的影响。CK灭活菌株/SynCom对照处理D灭活菌株/SynCom与10% PEG 6000联合处理CKS活性菌株/SynCom对照处理DS活性菌株或SynCom/10% PEG 6000联合处理。d五株细菌菌株在干旱条件下对四种代谢物的相对利用率。在菌株利用2-萘甲酸的实验中浓度1、浓度2、浓度3和浓度4分别代表0.01 mM、0.1 mM、0.2 mM和0.4 mM的浓度梯度。在菌株利用氨基己酸、1-萘醇和4-甲基苯甲酸的实验中浓度1、浓度2、浓度3和浓度4分别代表0.01 mM、0.1 mM、0.5 mM和1 mM的浓度梯度。e针对2-萘甲酸的体外添加促生和生物膜产生实验。上面板利用中华根瘤菌CS204与2-萘甲酸2NA共添加下的大豆幼苗生物量进行接种的无菌盆栽实验。下面板2-萘甲酸2NA共添加处理下中华根瘤菌CS204的生物膜产量OD600。不同小写字母表示处理间差异显著。f不同微生物多样性水平土壤中盆栽大豆植株在干旱胁迫21天及复水4天后的代表性图像。液相色谱法检测收集的根系分泌物中2-萘甲酸的峰面积。不同处理下根系分泌物中2-萘甲酸含量的定量分析。注数据以均值柱状图±均值标准误误差棒表示。不同小写字母表示处理间差异显著P 0.05。数据以均值±标准误表示n3。g左图短期复水后对照和干旱胁迫条件下不同微生物多样性梯度非根际土中中华根瘤菌CS204丰度的变化。短期复水后对照和干旱胁迫条件下不同微生物多样性梯度根际土中中华根瘤菌CS204丰度的变化。h由非固氮菌株人工构建的合成微生物群落。左面板实验设计示意图。1构建高A30株、中B20株和低C10株微生物多样性的合成微生物群落2向每个合成群落中添加中华根瘤菌CS204分别生成ACS204、BCS204和CCS204处理组3在对照条件或10% PEG 6000模拟干旱胁迫下培养48小时随后定量检测合成群落中中华根瘤菌CS204的丰度。每个处理包含三个生物学重复。右面板不同合成群落在对照CK和干旱D处理下对中华根瘤菌CS204丰度的影响。注不同小写字母表示处理间差异显著P 0.05。2-萘甲酸驱动益生根瘤菌的趋化定殖与抗旱功能激活为揭示2-萘甲酸招募中华根瘤菌S.CS204的生物学机制本研究开展了体外趋化性与定殖实验。结果表明图52-萘甲酸能诱导S.CS204的趋化响应使其在干旱下的根系定殖效率增加进一步的菌株基因组挖掘与突变体验证实验表明这一过程依赖细菌的甲基受体趋化蛋白MCPs。此外研究明确了2-萘甲酸是通过S.CS204基因组内连续排列的 ABC 转运蛋白基因簇upgBAE 进行跨膜转运进而被高效吸收进入菌株细胞内。分子对接与微量热泳动MST实验证明了2-萘甲酸能直接与S.CS204的关键氮循环蛋白如NirK、NapA、FixI结合并在干旱胁迫下诱导了相关基因的表达。总之2-萘甲酸不仅通过趋化和转运机制将根瘤菌招募并定殖在根际更作为一种信号配体激活了其固氮与养分循环功能。图5 | 2-萘甲酸驱动中华根瘤菌的趋化定殖与氮循环功能激活a中华根瘤菌CS204的趋化性实验。体外趋化能力上面板通过毛细管法在干旱胁迫条件下于有无2-萘甲酸存在的情况下进行评估植株根系趋化能力下面板通过距根尖1 cm处的根系定殖实验进行评估。细菌定量采用菌落形成单位CFU计数法体外和实时荧光定量PCRRT-qPCR法植株内。数据以均值±标准误表示n3。b2-萘甲酸与关键趋化蛋白McpU、McpY和McpZ进行半柔性分子对接所获得的结合自由能。c趋化性相关基因mcpZ、mcpU和mcpY在染色体上的基因组织结构与染色体排列。野生型中华根瘤菌CS204与成功构建的突变株ΔmcpZ、ΔmcpU和ΔmcpY之间PCR片段大小的比较。d中华根瘤菌CS204趋化缺陷突变株ΔmcpU、ΔmcpY、ΔmcpZ的趋化性实验。体外趋化能力上面板通过毛细管法在干旱胁迫条件下于有无2-萘甲酸存在的情况下进行评估植株根系趋化能力下面板通过距根尖1 cm处的根系定殖实验进行评估。细菌定量采用菌落形成单位CFU计数法体外和RT-qPCR法植株内。数据以均值±标准误表示n3。e中华根瘤菌CS204在根毛区的定殖情况。上面板场发射扫描电子显微镜FE-SEM图像展示中华根瘤菌CS204单独处理或与2-萘甲酸联合施用条件下的定殖情况。下面板采用荧光标记菌株进行的荧光定殖实验基于荧光强度对定殖水平进行定量分析。f中华根瘤菌CS204中ABC转运蛋白相关三基因缺失突变株ΔupgBAE的成功构建。gΔupgBAE缺失突变株在含2-萘甲酸培养基中培养48小时后对2-萘甲酸的利用情况。n3。h从Swiss-Prot数据集中注释的氮循环相关基因。i2-萘甲酸与关键氮循环蛋白NirK、NapA和FixI进行半柔性分子对接所获得的结合自由能。微量热泳动MST实验进一步验证了2-萘甲酸与上述三种氮循环相关蛋白之间的互作关系。Kd表示配体-蛋白质结合体系中复合物的平衡解离常数用于定量描述分子间相互作用的亲和力。j2-萘甲酸共添加处理下中华根瘤菌CS204中三个氮循环功能基因fixI、napA和nirK的表达情况。CS204中华根瘤菌CS204 10% PEG 6000CS2042NA中华根瘤菌CS204 2-萘甲酸 10% PEG 6000。n3。注不同小写字母表示处理间差异显著P 0.05。2-萘甲酸与中华根瘤菌协同提升原位土壤中大豆的耐旱性为评估2-萘甲酸与中华根瘤菌的应用潜力本研究采集了原位土壤并开展盆栽实验。结果表明图6在干旱胁迫下2-萘甲酸与中华根瘤菌S.CS204的联合施用显著提升了大豆的生物量与叶绿素含量。这种协同策略增强了菌株在根系的定殖能力激活了固氮与氮循环相关基因的表达及土壤养分酶活性改变了植物的光合生理指标与水分状态促进了根系对K、Fe2、Ca2、Na营养元素的吸收。图 6| 代谢物-微生物协同作用增强大豆耐旱性a中华根瘤菌CS204与2-萘甲酸共添加处理21天后干旱条件下大豆植株的表型照片。b共添加处理对干旱条件下植株总鲜重左面板和叶绿素含量右面板的影响。cCS204单独处理、代谢物2NA单独处理及共添加处理CS2042NA相对于各自对照组的叶片光合特性变化百分比。星号表示两种处理间差异显著。d干旱条件下单独处理和共添加处理21天后中华根瘤菌CS204在根际土壤中的定殖丰度。e左面板单独处理和共添加处理下根际土壤酶活性LAP、NAG、氮循环功能基因丰度、根系离子含量及抗氧化相关基因表达量的热图。右面板与对照相比单独添加CS204、单独添加2-萘甲酸以及中华根瘤菌CS204与2-萘甲酸共添加处理中各显著变化指标的相对比例。结论总体而言本研究解析了根际微生物多样性通过驱动根系分泌特异性代谢物招募关键微生物以增强植物耐旱性的核心机制深化了我们对微生物生态学与植物生理学内在关联的理解。基于此本文提出了一个层级调控框架即在干旱条件下微生物多样性作为上游的“生态驱动因子”负责重塑宿主植物的代谢产出而2-萘甲酸与中华根瘤菌的互作则作为下游的“执行机制”具体发挥增强养分获取与缓解环境胁迫的功能图7。图 7| 多样性驱动代谢物介导的根瘤菌协同耐旱机制示意图较高的土壤微生物多样性对植物干旱耐受性具有更强的正向促进效应。在高微生物多样性土壤中进行干旱盆栽处理植物诱导苯类化合物的分泌尤其是2-萘甲酸。该代谢物被有益中华根瘤菌S.CS204中mcp家族趋化感受蛋白McpU、McpY和McpZ所识别并将该菌株招募至根际。招募后2-萘甲酸经ABC转运蛋白介导的途径被S.CS204摄取并利用随后与氮循环相关蛋白NapA、NirK和FixI发生互作触发根系反硝化等功能变化。上述协同过程代谢物促进中华根瘤菌S.CS204的定殖增强根系对离子K、Fe2、Na、Ca2的吸收并提高根系相关抗氧化酶活性。由此产生的微生物-代谢物-植物级联反馈效应改变了叶片光合性能最终促进了干旱条件下的植物生长。作者简介陈实(第一作者)陈实西北农林科技大学博士后。主要研究方向为干旱胁迫下根际微生物与大豆的互作机制相关成果已第一作者已发表于 Cell Host Microbe、Plant Cell Environment、Frontiers in Microbiology 等学术期刊。韦革宏(通讯作者)韦革宏西北农林科技大学常务副校长教授博士生导师旱区土壤微生物组创新团队带头人。入选长江学者特聘教授国家杰出青年科学基金和全国百篇优秀博士学位论文获得者教育部新世纪优秀人才支持计划获得者万人计划科技创新领军人才。兼任国际根瘤菌与土壤杆菌多样性及分类分委员会委员、中国微生物学会农业微生物专业委员会副主任、中国微生物学会环境微生物专业委员会委员。先后主持国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等国家级项目20余项以通讯作者发表SCI论文100余篇获陕西省科学技术奖和自然科学奖一等奖各1项。焦硕(通讯作者)焦硕西北农林科技大学教授博士生导师。入选国家自然基金委优秀青年基金、陕西省高层次人才引进计划青年项目和全国博士后创新人才计划等人才项目主要从事旱区土壤微生物组与土壤健康研究以第一/通讯作者在Cell Host Microbe, Nature Food, PNAS, iMeta, Nature Communications, ISME Journal, Microbiome, Global Change Biology和Soil Biology Biochemistry等国内外主流刊物上发表论文40余篇其中ESI高被引论文11篇、封面论文2篇并被Clarivate评为2024年度全球高被引学者获陕西省自然科学一等奖主持国家重点研发计划青年科学家项目等国家级项目5项任国际土壤学著名期刊Soil Biology and Biochemistry编委、中国土壤学会土壤质量标准化工作委员会委员、中国微生物学会微生物资源专委会委员。宏基因组推荐4月10-12日微生物组-扩增子16S分析5月8-10日微生物组-宏基因组分析本公众号现全面开放投稿希望文章作者讲出自己的科研故事分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编微信号yongxinliu 或 meta-genomicsiMeta高引 fastp PhyloSuite ImageGP2 iNAP2 ggClusterNet2iMeta工具 SangerBox2 美吉2026 OmicStudio Wekemo OmicShareiMeta综述 高脂饮食菌群 发酵中药 口腔菌群 微塑料 癌症 宿主代谢10000扩增子EasyAmplicon 比较基因组JCVI 序列分析SeqKit2 维恩图EVenniMetaOmics高引 猪微生物组 16S扩增子综述 易扩增子(EasyAmplicon)系列教程微生物组入门 Biostar 微生物组 宏基因组专业技能学术图表 高分文章 生信宝典 不可或缺的人点击阅读原文