Beverage Plant Research | 茶树叶片代谢物塑造叶际微生物组功能组成

研究背景

植物与微生物在长期协同进化中形成了复杂的互作关系，而叶际作为地球表面最大的微生物栖息环境，其微生物群落的功能组装机制尚未明确。该研究聚焦具有丰富代谢特征的茶树（Camellia sinensis），通过分析五个茶树品种（包含黄化与非黄化表型）的叶片代谢物与叶际微生物组关系，揭示了宿主代谢物对微生物群落功能组成的关键驱动作用。前人研究表明，植物基因型差异引起的代谢多样性可通过提供营养或调控信号影响根际微生物，但叶际微生物组的功能组装机制仍存在知识空白。茶树因其独特的次生代谢产物（如茶多酚、茶氨酸）和人工选育产生的显著表型差异，为解析代谢物-微生物互作提供了理想模型。研究团队前期发现茶树品种间叶际微生物组成差异显著，且表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）等代谢物是重要驱动因子，但代谢物如何调控微生物功能基因表达仍待深入探索。

研究结果

叶片代谢物呈现显著品种特异性

该研究检测了19种氨基酸和12种次生代谢物（含儿茶素类、嘌呤生物碱等）。结果显示，黄化品种（如黄金芽、玉金香）的茶氨酸含量显著高于非黄化品种（福鼎大白茶等），最高达干重2.30 mg/g。次生代谢物中，玉金香品种的EGCG、没食子酸（GA）含量显著低于其他品种，而福鼎大白茶的咖啡碱含量最高。代谢组主成分分析表明氨基酸与次生代谢物分别形成独立聚类，黄化与非黄化品种在氨基酸谱系中差异显著，但次生代谢物未呈现明显表型分组特征。

叶际微生物组呈现功能驱动的群落分化

宏基因组分析揭示了叶际微生物的组成与功能特征：变形菌门（Proteobacteria）占主导（46%），鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、甲基杆菌属（Methylobacterium）为优势菌群。黄化品种的微生物α多样性显著低于非黄化品种，β多样性分析显示不同品种形成特异性群落结构。功能注释发现，硫循环相关基因"无机-有机硫转化通路"占比最高（28.9%），其次为嘌呤代谢（13.6%）和甲烷循环的丝氨酸通路（9.2%）。值得注意的是，氮循环功能基因相对丰度不足2%，暗示叶际环境中硫代谢可能比传统认知的氮代谢更具生态重要性。

代谢物-微生物功能基因网络构建

通过曼特尔检验与机器学习建模，研究发现氨基酸组成与微生物分类学特征显著相关（r=0.38），而次生代谢物差异驱动功能基因变异（r=0.42）。随机森林模型筛选出8个核心功能基因，其中4个涉及硫循环：半胱氨酸合成酶（cysK）、O-琥珀酰高丝氨酸硫化氢解酶（metZ）、甜菜碱醛脱氢酶（betB）和硫酸盐透性酶（sulP）。这些基因主要来源于鞘氨醇单胞菌、甲基杆菌和金黄杆菌属（Chryseobacterium），其中cysK基因丰度最高（26.85%），且与EGCG含量呈显著负相关。研究首次揭示EGCG和GA通过调控硫代谢基因表达影响微生物功能组装，例如GA可促进sulP等硫酸盐转运基因的表达。

关键代谢物的生态调控作用

表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）展现出双重调控效应：在抑制cysK等硫同化基因的同时，激活metZ、betB等有机硫转化基因。这种"代谢开关"效应可能通过氧化应激机制实现——EGCG诱导的活性氧（ROS）抑制部分微生物的硫代谢通路，同时筛选出具有抗氧化能力的功能菌株。此外，茶氨酸作为关键氨基酸，通过提供有机氮源驱动鞘氨醇单胞菌等有益菌的富集，其含量差异可解释21.7%的微生物β多样性变异。研究构建了"代谢物-功能基因-微生物属"三维互作网络，为解析叶际微生态调控提供了分子框架。

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