周刊主要展示LorMe團(tuán)隊(duì)成員優(yōu)秀周報(bào)，每周定期為您奉上學(xué)術(shù)盛宴！本期周刊為您介紹茶樹(shù)根系分泌物L(fēng)-茶氨酸介導(dǎo)根際微生物群落組裝調(diào)節(jié)土壤元素循環(huán)，原文于2022年發(fā)表在《Science of the Total Environment》上。
根系分泌物是植物和土壤微生物相互作用的關(guān)鍵介質(zhì)。L-茶氨酸是一種獨(dú)特的非蛋白質(zhì)氨基酸，對(duì)茶產(chǎn)品風(fēng)味和潛在的健康效益至關(guān)重要。然而，它在茶樹(shù)中的生物學(xué)功能還不清楚。本研究以元素循環(huán)為目標(biāo)，系統(tǒng)研究了茶樹(shù)根系分泌的L-茶氨酸對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)和參與土壤C、N、P和S循環(huán)基因豐度的影響。結(jié)果表明， L-茶氨酸塑造了根際微生物群落，并影響土壤元素循環(huán)編碼基因豐度，其通過(guò)降低narH、napA和napB基因的豐度顯著抑制了反硝化和完全硝化途徑。這些發(fā)現(xiàn)為揭示L-茶氨酸的生物學(xué)功能以及茶樹(shù)根系分泌物和根際微生物之間的相互作用提供了新的見(jiàn)解。1、茶樹(shù)向根際土壤分泌L-茶氨酸
L-茶氨酸是茶樹(shù)中的一種特殊的非蛋白氨基酸。茶樹(shù)主要通過(guò)從土壤中吸收氮進(jìn)而在根部合成L-茶氨酸，之后將其運(yùn)輸?shù)狡渌糠帧?/span>作者通過(guò)LC-MS鑒定茶樹(shù)根系分泌物發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)分泌物的總離子色譜圖和質(zhì)譜圖(圖1C-D)與L-茶氨酸標(biāo)準(zhǔn)品(圖1A-B)相同，證明了茶樹(shù)根系可分泌L-茶氨酸。
圖1 根系分泌物的代謝物分析。
A L-茶氨酸標(biāo)準(zhǔn)品的LC-MS總離子色譜圖(TIC)。B L-茶氨酸標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)譜圖，片段m/z 46.2和84.1是L-茶氨酸的特征離子。C LC-MS提取根分泌物的離子色譜圖。D 根分泌物中L-茶氨酸的質(zhì)譜圖。
2、低溫增加了茶樹(shù)根系和根系分泌物中L-茶氨酸的含量
冬季和早春是茶樹(shù)根系從土壤中吸收和儲(chǔ)存氮的活躍時(shí)期，并且茶樹(shù)中的總氨基酸含量要高于夏秋季。低溫處理(4℃)，根和根分泌物中L-茶氨酸含量分別是室溫處理(25℃)的2.03倍和16.19倍。與室溫(25 ℃)相比，高溫處理(38 ℃)茶樹(shù)根中L-茶氨酸的含量顯著降低，但茶樹(shù)根分泌物中L-茶氨酸的含量沒(méi)有顯著差異(圖2A-B)。這些結(jié)果表明，低溫能提高根際土壤中L-茶氨酸的含量。
圖2 溫度脅迫下L-茶氨酸的含量。
A 溫度脅迫對(duì)根中L-茶氨酸含量的影響。B 溫度脅迫對(duì)根分泌物中L-茶氨酸含量的影響。星號(hào)表示顯著差異(* P <0.05，** P <0.01，誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)差)。
3、L-茶氨酸影響根際微生物群落多樣性
植物通過(guò)向根際分泌特定的代謝產(chǎn)物，選擇性地從土壤環(huán)境中招募功能微生物，幫助植物抵抗生物和非生物脅迫，從而增強(qiáng)其適應(yīng)環(huán)境的能力。在使用0.1μM 、1μM 和10μM 濃度L-茶氨酸處理的第7天和第14天，L-茶氨酸濃度對(duì)根際細(xì)菌群落的Shannon指數(shù)無(wú)顯著影響 (圖3A)。然而，L-茶氨酸處理14天后的Shannon指數(shù)顯著高于處理7天的，這表明L-茶氨酸處理下的時(shí)間梯度可以改變根際細(xì)菌群落的α多樣性?；?/span>Bray-Curtis距離的主成分分析(PCoA)顯示 (圖3B-C)，L-茶氨酸的濃度顯著影響了細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)。此外，L-茶氨酸處理時(shí)間也顯著地(P =0.001)改變了細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)(圖3D)。
圖3 土壤細(xì)菌群落的多樣性。
A 細(xì)菌群落的Shannon指數(shù)。上方的不同字母表示顯著差異(P <0.05，誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差)。B 基于Bray-Curtis距離的PCoA顯示了7天后在0.1μM (S1)、1μM (S2)和10μM (S3)L-茶氨酸下的濃度效應(yīng)(P =0.003)。C 基于Bray-Curtis距離的PCoA顯示14天后在0.1μM (F1)、1μM (F2)和10μM (F3)L-茶氨酸下的濃度效應(yīng)(P =0.007)。D 基于Bray-Curtis距離的PCoA顯示了第7天(d7)和第14天(d14)的時(shí)間效應(yīng)(P =0.001)。
4、L-茶氨酸塑造根際微生物群落
在門(mén)水平上，變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、放線菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和浮霉菌門(mén)是最豐富的門(mén)，占所有門(mén)水平的80%以上(圖4A)。隨著L-茶氨酸處理持續(xù)時(shí)間的增加，放線菌門(mén)、浮霉菌門(mén)和疣微菌門(mén)的相對(duì)豐度增加，而厚壁菌門(mén)的相對(duì)豐度降低(圖5A)。此外，隨著L-茶氨酸濃度的增加，酸桿菌門(mén)和疣微菌門(mén)的相對(duì)豐度增加。在屬水平上，隨著L-茶氨酸處理時(shí)間的增加，熱酸菌屬、康奈斯氏桿菌屬、粘液桿菌屬和分枝桿菌屬的相對(duì)豐度增加，而脂環(huán)酸桿菌屬、膨脹芽胞桿菌屬和伯克霍爾德菌屬的相對(duì)豐度下降(圖4B，5B)。隨著L-茶氨酸濃度的增加，鞘氨醇單胞菌屬的相對(duì)豐度增加，而熱酸菌屬的相對(duì)豐度下降。此外，在用L-茶氨酸處理7天和14天之后，在三個(gè)不同濃度的處理中共享OTUs的數(shù)量從1423增加到1557，分別占所有OTUs的42.8%和44.3%(圖4C-D)。
圖4 L-茶氨酸對(duì)土壤細(xì)菌群落的調(diào)節(jié)。
A 細(xì)菌群落主要門(mén)的相對(duì)豐度。B 細(xì)菌群落主要屬的相對(duì)豐度。(屬級(jí)未分配的分類(lèi)已刪除)。在L-茶氨酸濃度為0.1μM (S1，F1)，1μM (S2，F2)和10μM (S3，F3)的土壤中培養(yǎng)7天(S1，S2，S3)和14天(F1，F2，F3)。C和D 韋恩圖顯示了OTUs的基本重疊，在不同L-茶氨酸水平下處理7天和14天后的濃度效應(yīng)。
圖5 L -茶氨酸對(duì)細(xì)菌群落豐度的影響。
基于16S rRNA基因序列，相對(duì)豐度隨L -茶氨酸處理顯著變化的門(mén)A和屬B。C 基于宏基因組數(shù)據(jù)的根際微生物群屬級(jí)相對(duì)豐度。星號(hào)表示有顯著差異。(* P<0.05， ** P<0.01，誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)差)。
5、L-茶氨酸影響土壤元素循環(huán)
根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性與參與元素循環(huán)的功能基因豐度密切相關(guān)。作者利用0μM和1μM的L-茶氨酸處理土壤14天后基于宏基因組學(xué)探究了L-茶氨酸對(duì)元素(C，N，P，S)循環(huán)途徑相關(guān)基因豐度的影響，鑒定了包括還原型檸檬酸循環(huán)、還原性乙酰輔酶a、不完全還原型檸檬酸循環(huán)和3-羥基丙酸雙循環(huán)的碳固定途徑。結(jié)果表明：在L-茶氨酸處理后，與這些途徑相關(guān)的基因豐度略微降低，但不顯著(圖6A，7A)。在包括異化硝酸鹽還原、同化硝酸鹽還原、反硝化、固氮、完全硝化和硝化作用的氮循環(huán)途徑方面， L-茶氨酸處理下氮循環(huán)途徑相關(guān)基因豐度降低，其中異化硝酸鹽還原、反硝化和完全硝化途徑基因豐度顯著降低(圖8B)。進(jìn)一步分析該通路中相關(guān)功能基因的相對(duì)豐度，發(fā)現(xiàn)硝酸還原酶相關(guān)基因(narH、napA、napB、narB)和烯烴單加氧酶α亞基基因(amoA)的相對(duì)豐度顯著降低 (圖8A)，這與氮循環(huán)中的3個(gè)途徑有關(guān)(圖8C)。此外，nirA/K、narG(反硝化因子亞硝酸還原酶(NADH)基因)、norB(一氧化氮還原酶基因)的豐度降低。宏基因組分析表明，反硝化途徑和完全硝化途徑主要與脂環(huán)芽孢桿菌屬、伯克氏菌屬、戴氏菌屬、分枝桿菌屬和馬賽菌屬有關(guān)(圖9）。在磷代謝途徑方面，與多磷酸鹽合成途徑相關(guān)的基因在L-茶氨酸處理后顯著富集 (圖7B)。無(wú)機(jī)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因(pstA)豐度顯著降低 (圖6B)，表明細(xì)菌（如戴氏菌屬和分枝桿菌屬）對(duì)有機(jī)和無(wú)機(jī)磷的利用受到抑制(圖 10)。在包括同化硫酸鹽還原，異化硫酸鹽還原和硫代硫酸鹽氧化的硫代謝方面(圖6C)，與同化硫酸鹽還原途徑相關(guān)基因豐度略有下降，但與硫代硫酸鹽氧化途徑相關(guān)基因豐度略有增加(圖7C)。宏基因組分析顯示，硫代硫酸鹽氧化途徑功能基因主要與慢生根瘤菌屬、磁螺菌屬、副伯克氏菌屬、紅球形菌屬和硫化假單胞桿菌屬有關(guān)(圖11)，其中磁螺菌屬和硫化假單胞桿菌屬細(xì)菌的相對(duì)豐度在1μM L-茶氨酸的處理下增加(圖5C)，這意味著L-茶氨酸可以通過(guò)募集磁螺菌屬和硫化假單胞桿菌屬細(xì)菌來(lái)促進(jìn)茶樹(shù)對(duì)硫的吸收。而亞硫酸還原酶(cysI)基因和硫化物氧化基因soxA的豐度顯著增加，soxY的豐度顯著降低 (圖6C)，表明在群落中檢測(cè)到了異養(yǎng)細(xì)菌的硫代硫酸鹽氧化能力。
圖6 主要功能基因參與C(A)、P(B)、S(C)代謝。
在L -茶氨酸水平為0μM (CK)和1μM (T1)的土壤培養(yǎng)14天。
圖7 固碳(A)、磷(B)、硫(C)代謝途徑富集分析圖。
在L-茶氨酸水平為0μM (CK)和1μM (T1)的土壤培養(yǎng)14天。
圖8 參與氮循環(huán)代謝的主要功能基因和代謝途徑。
A 參與氮循環(huán)代謝的主要功能基因。(* P <0.05)。B 在L-茶氨酸濃度為0μM (CK)和1μM (T1)的土壤中培養(yǎng)14天氮代謝途徑的富集分析。C 氮代謝途徑示意圖。餅狀圖表示N-循環(huán)相關(guān)基因的相對(duì)豐度，通過(guò)將單個(gè)樣品中基因覆蓋的總和除以該基因在所有樣品中覆蓋的總和來(lái)計(jì)算。
圖9宏基因組數(shù)據(jù)推斷出細(xì)菌參與主要氮循環(huán)的屬的相對(duì)分布。
圖10宏基因組數(shù)據(jù)推斷出細(xì)菌參與主要磷代謝的屬的相對(duì)分布。
圖11宏基因組數(shù)據(jù)推斷出細(xì)菌參與主要硫循環(huán)的屬的相對(duì)分布。
L-茶氨酸是一種特殊的游離氨基酸，占茶葉中總游離氨基酸的50%以上，也被認(rèn)為是茶樹(shù)儲(chǔ)存氮的主要形式。然而，茶樹(shù)根系分泌物是否含有L-茶氨酸，在溫度脅迫下根系分泌物中L-茶氨酸含量的變化以及它如何影響土壤中微生物的組裝和土壤元素循環(huán)尚未得到研究。本研究以土壤元素循環(huán)為目標(biāo)，系統(tǒng)研究了茶樹(shù)根系分泌物L-茶氨酸對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)和基因豐度的影響(圖12)。結(jié)果表明:(i)茶樹(shù)根系可以向根際土壤分泌L-茶氨酸。(ii)低溫處理增加茶樹(shù)根系分泌L-茶氨酸。(iii)茶樹(shù)分泌物L-茶氨酸塑造根際微生物群。 (iv)L-茶氨酸減少了根際土壤中與反硝化和完全硝化有關(guān)的基因豐度，這表明L-茶氨酸可能對(duì)土壤中的氮損失有積極影響。這些發(fā)現(xiàn)為揭示L-茶氨酸的生物學(xué)功能以及茶樹(shù)根系分泌物和根際微生物群之間的相互作用提供了新的見(jiàn)解。
圖12 茶樹(shù)根系分泌L -茶氨酸通過(guò)改變根際微生物群落組裝來(lái)調(diào)節(jié)土壤元素循環(huán)的示意圖。
論文信息
原名：L-theanine exuded from Camellia sinensis roots regulates element cycling in soil by shaping the rhizosphere microbiome assembly
譯名：茶樹(shù)根系分泌物L(fēng)-茶氨酸介導(dǎo)根際微生物群落組裝調(diào)節(jié)土壤元素循環(huán)
期刊：Science of the Total Environment
DOI：10.1016/j.scitotenv.2022.155801
發(fā)表時(shí)間：2022
通訊作者：徐平
通訊作者單位：浙江大學(xué)
