多组学分析揭示了药用植物乌拉尔甘草的综合微生物-植物-代谢物调控模式

发表期刊：Genome Biology影像因子：13.263中科分区：生物工程与应用微生物1区发表时间：2022.06.29Doi：10.1111/pbi.13868

研究背景

乌拉尔甘草作为一种药用植物，其功效很大程度上取决于甘草素和甘草酸，野生甘草和栽培甘草在药效上的差异背后的调控模式仍然不明了。甘草素是甘草中的主要类黄酮化合物，通过黄酮生物合成途径在细胞质中合成；甘草酸是一种生物活性三萜皂苷，通过甲羟戊酸（MVA）途径合成，并由许多关键酶调节；

乌拉尔甘草中甘草素和甘草酸的含量在野生和栽培形式之间差异很大；野生和栽培的乌拉尔甘草在田间甘草素和甘草酸积累差异的根本原因仍然未知；关于微生物群落如何影响乌拉尔G. uralensis代谢物的积累知之甚少。此外，乌拉尔甘草中基因表达、微生物群落和代谢物积累之间的相互作用仍未确定。多组学研究可以加深我们对各种非生物和生物因素如何影响主要生物活性成分积累的理解，代谢物的产生、表达模式和微生物群落的结合将为乌拉尔苜蓿的综合微生物-植物-代谢物调控模式带来新的见解。

以下关键问题：

野生乌拉尔甘草的主要生物活性成分含量与栽培物的含量在多大程度上不同，以及相应关键基因的表达是否与这些代谢模式相协调。

非生物和生物因子如何影响主要生物活性成分的积累。

功能基因调控、次生代谢积累和根际微生物群落的结合如何协同调控乌拉尔甘草药理活性成分的合成。

研究思路&研究设计

研究收集了野生（WT）乌拉尔根以及耕种1年（C1）和3年（C3）的根和根际土壤，生成了根系代谢物和转录物数据，根际微生物群数据，并进行了全面的多组学分析。

研究结果

1.乌拉尔甘草-代谢组、转录组和微生物多样性数据

本研究为了解析野生和栽培乌拉尔甘草中甘草素和甘草酸积累的差异，分别进行根系转录组、代谢组和根际的微生物多样性检测。高效液相色谱实验表明，野生甘草比栽培甘草积累更多的甘草素和甘草酸。转录组结果表明：三种乌拉尔甘草转录组数据进行比较鉴定的差异基因（DEG）显著富集到类黄酮和次级代谢产物的合成中，且在野生甘草中表达量更高；其中甘草素和甘草酸生物合成DEG有27个（包括ACC、PAL、4CL、CHS、CHR、CHI和UGTs），且野生甘草的表达水平显著高于栽培甘草。甘草酸和甘草素合成相关：五个CYP450、两个编码ACC和UGT的新基因，在野生甘草中大量表达。

在野生甘草中，MVA途径中HMGS、HMGR和PMVK的DEG表达量较高。鉴定到73个DEGs参与植物-病原体相互作用，并在不同的甘草中具有类型特异性表达模式，这些不同的表达模式可能代表不同的甘草对其各自环境微生物的反应，即这些DEG可能在病原体感染限制中起重要作用。

2.野生和栽培乌拉尔根际微生物的分类特征

植物-微生物相互作用在植物生长中发挥了重要作用，甘草根际块土与根际的微生物多样性存在显著差异，块状土壤的微生物多样性高于根际，C1根际微生物多样性显著低于WT和C3；许多标记病原体（如农杆菌、关节杆菌和链霉菌）的富集模式与参与植物-病原体相互作用的基因的表达模式呈正相关。在根际微生物群落的物种水平上，本研究获得了34个PGPR标记物种，这些标记物种富集在野生乌拉尔或栽培的乌拉尔根中。具有代表性的PGPRs如巴迪芽孢杆菌和硬芽孢杆菌，在野生乌拉尔芽孢杆菌中含量很高。

3.乌拉尔甘草代谢产物产生、基因表达与微生物群落的相关性

WGCNA鉴定共表达基因模块和共丰度微生物模块，揭示了基因表达、微生物群落与甘草素和甘草酸生物合成之间的联系，鉴定了 32 个共表达基因模块和 10 个共丰度微生物模块，其中 1 个基因模块（基因模块 2、3、4、5、23、29 和 1）和 2 个微生物模块（微生物模块 3、4、10 和 80）与甘草素和甘草酸积累、温度和 pH 值呈正相关或负相关。

参与甘草酸生物合成的这些DEG中有许多与温度呈负相关，而与胁迫耐受性相关的一些DEG与温度呈正相关，表明甘草在代谢产物生物合成和积累的分配上具有复杂的表达调控模式。

研究根际微生物如何影响甘草的基因表达和代谢物积累。环境因素、甘草素和甘草酸的积累以及参与甘草素和甘草酸生物合成的基因均与微生物模块1、2、3和4中的标记微生物相关。溶菌（一种根际促进细菌）的相对丰度不仅与温度呈正相关，而且与模块5中共表达的DEGs呈正相关。研究发现溶菌与参与激素信号通路的基因（如PYL，PP2C和CRE1）呈正相关，并与参与甘草素和甘草酸合成的基因（如CYP72A154，CHI和PAL）呈负相关，这意味着在其增强激素代谢的同时具有减少甘草素和甘草酸合成的潜在作用。比较分析表明，溶菌在野生的甘草根际中比在栽培甘草根际中含量显着丰富；此外，发现溶菌与甘草素和甘草酸积累呈正相关，表明其在刺激这些代谢物产生方面的潜在作用。参与甘草素和甘草酸生物合成的关键基因，如CYP72A154、CHI和PAL编码基因，趋于共表达，与细菌溶菌丰度呈极强负相关，表明溶菌富集可能抑制甘草素和甘草酸的生物合成。

综上，根际微生物也可能在调节甘草素和甘草酸积累中发挥重要作用。

4.生物和非生物驱动因素对代谢物积累的影响

研究采用结构方程模型（SEM）来确定生物成分（微生物多样性，微生物群落结构和植物基因表达）和非生物因素（温度，pH和生长时间）对代谢物（甘草素和甘草酸）积累的影响；该模型建立在非生物驱动因素（温度，pH和生长时间）可以驱动甘草素和甘草酸积累的假设之上，但生物成分（微生物多样性，群落结构和植物基因表达）也可以间接驱动代谢物的积累。

研究结构方程模型表明，生长时间是甘草素和甘草酸积累的最重要驱动因素，意味着生长时间越长，药理活性成分含量越高。温度通过改变与甘菊素生物合成相关的微生物群落结构和基因表达来影响甘菊素积累。某些基因表达是甘草素积累的原因，这种差异可归因于代谢物生物合成和积累的复杂调节。

综上，这些结果证明了乌拉尔甘草的非生物因子（如温度和pH）、微生物群落（结构和多样性）和基因表达如何相互作用影响甘草素和甘草酸的积累。

研究结果&结果讨论

研究首先确定了甘草在不同生长状态下在代谢产物和转录组水平上的差异：并证实野生乌拉甘草在甘草中积累的甘草素和甘草酸明显多于栽培的乌拉尔甘草;研究发现甘草酸的生物合成基因，包括BAS，CYP72A154和CYP88D6，在野生乌拉尔甘草中显著上调。基于多组学网络分析，进行根际微生物-植物-代谢物的综合关联；研究基于SEM模型发现，甘菊素的积累将由基因表达、微生物群落结构和环境条件共同决定。本研究解析了甘草素和甘草酸的关键调控机制，为植物关键代谢产物与其转录组、根际微生物和环境的相互作用提供了新的见解，为甘草的栽培培育提供了新的思路。

参考文献

Zhong C, Chen C, Gao X, Tan C, Bai H, Ning K. Multi-omics profiling reveals comprehensive microbe-plant-metabolite regulation patterns for medicinal plant Glycyrrhiza uralensis Fisch. Plant Biotechnol J. 2022 Oct;20(10):1874-1887. doi: 10.1111/pbi.13868. Epub 2022 Jun 29. PMID: 35668676; PMCID: PMC9491449.