木本植物根际微生物组装的时空动态规律及其与宿主协同抗逆机制
植物在自然生境中持续遭受干旱、盐渍化及病原侵染等非生物与生物胁迫的多重挑战。作为多年生木本植物，林木通过长期协同进化与根际微生物群落形成了独特的共生网络，这种互作系统在时空维度上展现出显著的可塑性与生态稳定性。
近年研究表明，林木根际微生物组在宿主抗逆表型可塑性调控中发挥关键作用，其生理生态功能已得到分子生态学证据的支持。然而受限于传统纯培养技术的局限性，当前研究仍难以精准解析：1)复杂微生物群落中具有关键生态功能的核心菌群；2)林木-微生物跨界调控网络对宿主抗逆性的级联效应；3)植物-微生物共进化过程中形成的遗传调控机制。
北京林业大学生物科学与技术学院谢剑波课题组2025年4月在Microbiome期刊(IF5=17.9,一区TOP)在线发表了题为“Microbe-mediated stress resistance in plants:the roles played by core and stress-specific microbiota”的研究。本研究标志着该团队在林木-微生物协同抗逆领域系统性理论框架构建的另一重要进展。基于前期发现的"年龄效应下杨树根系微生物模块动态变化"(New Phytologist,2023)和"杨树调控基因依赖性微生物组装模式"(Nature Communications,2025;Scientific Data 2025)，本次研究创新性地将时间维度(Time-dependent dynamics)与空间特异性(niche-specific colonization)调控网络相耦合，结合分子生态学和分子遗传学手段阐释了木本植物根际微生物组装的时空动态规律及其与宿主协同抗逆机制。该系列研究系统解析了杨树关键调控枢纽NAC(胁迫响应家族)、bZIP(ABA信号核心元件)、bHLH(次生代谢调控模块)等转录因子的跨界调控机制。
这些调控基因通过"转录重编程-代谢物定向招募-微生物模块组装"三级级联网络，特异富集放线菌、假单胞菌等胁迫缓解功能的微生物模块。如通过共表达网络鉴定出bHLH转录因子家族的成员bHLH1(GL3)与黄酮、类黄酮生物合成相关基因协同表达。PopGL3蛋白可以调节类黄酮合成相关基因PopPA2、PopF3'H、PopDAHP、PopCCR1和PopTHB的表达。通过过表达PopGL3和查尔酮合成酶(PopCHS4)可提高tricin的分泌，并驱动假单胞菌在根际定殖，进一步促进低氮土壤中杨树的生长和氮素获取(图1)。
图1:tricin和apigenin合同通路招募的假单胞菌促进了杨树的氮利用和次生根生长
通过构建不同处理组(对照、干旱、盐碱、病害)的微生物共现网络，研究发现胁迫环境下网络复杂性更高。盐碱和干旱组的负相关边比例较高，表明非生物胁迫下微生物间竞争或生态位分化加剧；而病害组的负相关边较少，可能与病原诱导的协同防御有关。随着盐碱和干旱胁迫时间延长，微生物互作节点和连接数持续减少，群落结构趋于简化。病害组的网络复杂性未显著降低，推测叶片病原通过系统性信号“温和”重塑根际微生物组，而非直接淘汰物种。通过模拟物种灭绝实验评估网络稳定性，证实核心微生物像“基础设施”维持网络稳定，而逆境特异性微生物则像“特种部队”，在特定压力下被植物招募并激活抗逆功能。通过分离杨树根际781株细菌(图2)，成功构建了6组合成微生物群落(SynComs)。
实验表明，接种含胁迫特异性微生物的SynComs可显著提升植物抗逆性：在盐碱、干旱和病害条件下，处理组植株鲜重分别比对照组提高53.3%、43.4%和38.7%，且这些群落能特异性激活抗逆相关基因表达。值得注意的是，同时包含核心菌群与逆境特异性菌群的“协同组合”效果最佳，而单一菌群接种效果有限，证实了微生物功能互补的重要性。
图2:构建合成微生物群落协助杨树抵御逆境胁迫
北京林业大学谢剑波教授为本文的通讯作者，博士研究生刘思佳、吴家东为本文的共同第一作者。林木分子育种团队负责人张德强教授给予该工作总体指导。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校、中国林业与草原科技创新青年拔尖人才项目和111计划等项目的资助。
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