研究简介：植物拥有大量多样的微生物群落，即植物微生物群落，这对植物健康至关重要。有益的植物-微生物组相互作用通过各种机制促进生长、缓解压力和防御病原体，从而提高植物的适应性。直接刺激是通过产生植物激素或1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶、诱导系统抗性以及通过固氮、磷溶解和铁载体分泌增加养分获取来介导的。在实验室条件下进行的还原论方法是破译根际微生物组中微生物相互作用及其与宿主健康相关性的一种很有前景的策略。一般来说，芽孢杆菌属和假单胞菌属，是根际中研究最广泛的有益微生物，属于这两个属的几种商业产品目前可用于农作物的农业生产。尽管植物促生根际细菌(PGPR)的生物防治能力和促进植物生长的作用已经得到深入研究，但它们对本土根际微生物组组成的影响仍未得到充分探索。研究人员使用芽孢杆菌SQR9作为PGPR的代表来表征PGPR对常驻根际微生物组的影响，并使用简化的两个物种群落与目标根际群落细菌研究新兴微生物的相互作用。通过使用生物信息学、遗传、转录组学和代谢组学分析来揭示接种剂（施氏假单胞菌SQR9）在黄瓜根际对植物有益的本土施氏假单胞菌之间的共养合作。
Bioscreen全自动微生物生长曲线分析仪的应用
基于TSB的生长曲线测定，芽孢杆菌SQR9和施氏假单胞菌XL272分别在富含TSB的培养基中生长24小时，将细胞培养物离心，然后将上清液作为细菌代谢物过滤灭菌。将2μl起始接种物接种到10×10孔蜂窝微孔板中的200μl TSB培养基或补充有10%细菌代谢物的TSB。使用Bioscreen C全自动微生物生长曲线分析系统在30°C下每30分钟测量一次OD 600。每个处理设5个重复。
实验结果：研究表明PGPR可以招募本地有益细菌，并可以通过交叉喂养与它们合作互动。协同生物膜的形成伴随着增强的植物生长促进和盐胁迫缓解能力。芽孢杆菌SQR9能够被根系分泌物吸引并在根际。在植物根部建立生物膜后，它会分泌代谢物，增加原生植物有益属（如假单胞菌的丰度种），通过形成紧密相关的生物膜，它们共享细胞外基质和必需代谢物，从而增加它们在根际的适应性。因此简化的群落促进植物生长和缓解盐胁迫的能力增强。提出了一种使用具有协同作用的微生物接种剂来促进植物健康的生态学方法，是了解根际微生物组中微生物相互作用的重要一步。
图1、施氏假单胞菌XL272和芽胞杆菌SQR9在某些条件下协同形成生物膜。通过鲜重和结晶紫测定法定量生物膜生物量。(A)生物膜在静态TSB培养基中培养。P代表施氏假单胞菌XL272单培养薄膜，S代表芽胞杆菌SQR9单培养薄膜，PS代表共培养薄膜。条形代表平均值±sd(n=6)。根据方差分析，通过Prism 8进行的Tukey检验，不同的字母表示具有统计学意义的差异。（B）相互作用强度定义为共培养中DNA拷贝相对于单一培养中平均DNA拷贝的对数刻度。静态TSB和静态REM（根系分泌物培养基）代表结构化、营养丰富的条件，摇动的TSB代表非结构化、营养丰富的条件，静态MSgg代表结构化、营养有限的条件。合作只发生在结构化、营养丰富的条件下。（C）TSB培养基中单一培养和共培养的生物膜形成。在CLSM下观察由施氏假单胞菌XL272（洋红色）和芽胞杆菌SQR9（绿色）形成的生物膜。井径为15.6毫米。（D）在TSB琼脂上生长的菌落。DsRed标记的施氏假单胞菌XL272被染成洋红色，GFP标记的芽胞杆菌SQR9被染成绿色。
图2、（A）在纯TSB培养基中培养的单一培养物（正方形）、在添加了10%其他物种上清液的TSB上生长的单一培养物（圆形）和共培养物（六边形）的生长曲线。芽孢杆菌SQR9 TSB用过的培养基促进了施氏假单胞菌XL272的生长。“K”表示生长能力，“R”表示生长速率，由生长曲线的R包计算得出。（B）M9用过的培养基实验的示意图。分离物在M9葡萄糖培养基中独立生长6天（芽孢杆菌SQR9）或4天（施氏假单胞菌XL272)直到检测到葡萄糖，然后从悬浮液中滤出细胞。
图3、联合体促进植物生长并缓解盐胁迫。（A）照片显示了在普通稻田土壤或盐处理稻田土壤中种植的6周龄黄瓜植株，接种了S（B.velezensis SQR9）、P（P.stutzeri XL272）或PS（P和S的混合物）。CTL代表在没有接种细菌的普通土壤中生长的植物。（B）植物的拍摄高度。（C）枝条干重。（D）植物的叶绿素含量。
图4、合成BCAA的能力是贝氏芽孢杆菌SQR9在最小培养基中生存的必要条件，但在丰富培养基中是必不可少的。(A)B.vele zensisBCAAs生物合成突变体的生长曲线(B)芽孢杆菌zensisBCAAs生物合成突变体在单培养膜中的细胞数量。星号表示与野生型相比具有统计学意义(p<0.01)。(C)双种生物膜细胞数，上标题为中型，下标题为芽孢杆菌突变体。
图5、单个微生物的生长动力学。（A和B）在M9培养基中以相应化合物作为唯一碳源对芽孢杆菌SQR9和施氏假单胞菌XL272的生长曲线进行研究。（C&D）生长能力是最大的种群规模。该值为最大OD600值减去初始OD600值。（E&F）增长率是指数阶段生长曲线的斜率。给出的数据为平均值±标准差（n=5）。误差条代表标准偏差。
总结：营养相互作用在驱动微生物群落组装和功能方面发挥着核心作用。在肠道或土壤生态系统中，有效的定殖总是有助于成功的接种剂。然而很少研究接种物和常驻细菌之间的代谢物交换，特别是在根际进行相关研究。研究人员使用生物信息学、遗传、转录组学和代谢组学分析来揭示接种剂（芽孢杆菌SQR9）在黄瓜根际对植物有益的本土施氏假单胞菌之间的共养合作。研究发现这两个物种的协同作用高度依赖于环境，共养合作的出现仅在静态营养丰富的生态位中很明显，例如根际的表膜生物膜。研究结果确定了支链氨基酸(BCAAs)生物合成途径参与了共养合作。基因组规模的代谢建模和代谢分析也证明了细菌菌株之间的代谢促进作用。此外来自芽孢杆菌的生物膜基质成分对互动至关重要。重要的是这两个物种的联合体促进了植物生长并帮助植物缓解了盐胁迫。研究人员提出了一种机制，其中生物防治细菌和伙伴物种之间的协同相互作用促进植物健康。本研究工作扩展了对通常发生在根际的复杂微生物相互作用的认识，为安全和生态友好型农业中的根际工程提供了指导。