《Microbiological Research》：The effect of
Sinorhizobium meliloti volatilomes and synthetic long-chain methylketones on soil and
Medicago truncatula microbiomes
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本研究为解决细菌挥发性化合物（VCs）如何影响土壤和植物微生物组这一关键科学问题，研究人员以豆科植物根瘤菌中华苜蓿根瘤菌（Sinorhizobium meliloti, Sm）为模型，通过构建甲基酮（MKs）高产菌株（fadA突变体），并结合合成MKs，深入探究了其挥发物组对自然土壤和蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）根际及根内微生物群落的影响。研究发现，Sm挥发物组，而非单一的合成MKs，能显著维持根内Ensifer/Sinorhizobium种群丰度，并抑制其他细菌属向根内的定殖，揭示了复杂挥发物 blend 在调控植物-微生物互作中的独特作用。该研究为理解根瘤菌挥发性信号分子的生态功能提供了新视角，对开发基于微生物挥发性化合物的农业调控策略具有重要意义。
在微观世界中，细菌们并非沉默寡言，它们通过释放一系列微小的挥发性化合物（Volatile Compounds, VCs）进行着频繁的“空中交流”。这些微量化合物的作用远超想象，它们不仅能影响邻近微生物的生长和行为，甚至能远程调控植物的健康。然而，对于这些由细菌释放的复杂挥发性混合物（即“挥发物组”，volatilome）如何影响自然环境中的土壤微生物群落，以及更为关键的，它们如何塑造与植物健康息息相关的根际和根内微生物生态系统，科学界的认知仍非常有限。尤其对于一类重要的土壤细菌——能够与豆科植物共生固氮的根瘤菌，其挥发性信号分子的合成途径及其生态功能，更是笼罩在迷雾之中。
为了揭开这层迷雾，一项发表在《Microbiological Research》上的研究，以豆科模式植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）及其专性共生根瘤菌——中华苜蓿根瘤菌（Sinorhizobium meliloti, Sm）GR4为研究对象，展开了一场探索细菌“气味语言”如何影响微观世界秩序的精彩研究。已知Sm能够释放长链甲基酮（Methylketones, MKs）类挥发性物质，其中如2-十三烷酮（2-tridecanone, 2-TDC）已被证明能像信息分子一样在细菌间传递信号，甚至干扰植物与细菌的互作。研究人员推测，这些MKs可能在调控土壤和植物微生物群落中扮演着重要角色。为了验证这一假说，并深入探究其生态意义，研究团队首先通过基因工程技术，成功构建了MKs高产菌株（fadA基因突变体），从而获得了MKs释放量远超野生型（WT）和此前已知的fadD突变体的实验材料。通过比较野生型Sm、fadD突变体、fadA突变体的挥发物组以及合成的纯品MKs（包括2-TDC、2-十五烷酮2-PDC、2-十七烷酮2-HpDC及其混合物）对自然土壤和蒺藜苜蓿根圈微生物的影响，该研究首次系统揭示了根瘤菌挥发物组，特别是MKs，在塑造微生物群落结构方面的关键作用。
关键技术方法概述
本研究综合运用了微生物遗传学、挥发性组学、微生物生态学和生物信息学等多种技术方法。关键实验技术包括：利用基因敲除技术构建Sm的fadD和fadA突变体；通过顶空固相微萃取-气相色谱/质谱联用技术（HS-SPME-GC/MS）精确分析细菌挥发物组成分；设置微宇宙实验装置，分别暴露自然土壤和种植蒺藜苜蓿的盆栽于不同Sm菌株挥发物或合成MKs中；分别从土壤、根际和根内圈（endosphere）样品中提取总DNA；对16S rRNA基因V3-V4区进行扩增子测序（Illumina MiSeq平台）；利用QIIME2、ANCOM-BC等生物信息学工具分析微生物群落的α和β多样性、差异丰度物种；并采用Tax4Fun2对微生物群落功能潜能进行预测。
研究结果
3.1. 中华苜蓿根瘤菌（Sm）GR4野生型（WT）及其fadD和fadA突变体衍生物的挥发物组特征
挥发物分析表明，Sm GR4释放的挥发性有机化合物（VOCs）包括2种醇、6种MKs和9种脂肪酸甲酯（FAMEs）。与野生型相比，fadA突变体显著过量产生了多种MKs，如2-TDC（超过10倍）、2-PDC和2-HpDC（均超过30倍），证实了阻断脂肪酸β-氧化途径（通过敲除fadA基因）可有效促进MKs的合成。而fadD突变体则主要导致FAMEs的释放增加，MKs产量增幅相对较小。这为了解细菌MKs的生物合成途径（可能同时涉及脂肪酸合成和降解途径的中间产物）提供了新线索。
3.2. 暴露于Sm挥发物组和合成挥发性MKs的土壤中细菌群落的变化
暴露于Sm挥发物组或合成MKs对土壤细菌群落的α多样性（物种多样性和丰富度）影响总体较小，但显著改变了群落的组成结构（β多样性）。时间（培养7天）是导致群落变化的主要因素。在门水平上，暴露于野生型或fadA突变体挥发物组均进一步加剧了对照中已观察到的放线菌门（Actinobacteriota）丰度的下降。在属水平上，ANCOM-BC分析揭示了特定细菌类群对处理的响应。例如，暴露于野生型挥发物组显著富集了黄壤杆菌（Flavisolibacter）和溶杆菌（Lysobacter），而降低了Chitinophagaceae科未培养菌和微球菌（Microvirga）的丰度。暴露于合成MK混合物则显著降低了土壤中类诺卡氏菌（Nocardioides）等的丰度。这些结果表明，Sm挥发物和MKs能够对土壤中的特定细菌类群产生选择性影响。
3.3. 暴露于Sm挥发物组和合成挥发性MKs的植物相关细菌群落的变化
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3.3.1. 对蒺藜苜蓿根际的影响
在根际，暴露于不同处理对细菌群落的α和β多样性均未产生显著影响。然而，在属水平上，响应模式有所不同：暴露于Sm挥发物组的根际细菌多为丰度降低（如RB41、Massilia、Ensifer/Sinorhizobium），而暴露于合成MKs的则多为富集（如一些厚壁菌门成员）。值得注意的是，假单胞菌属（Pseudomonas）在MK混合物处理下丰度降低。未培养的Chitinophagaceae在暴露于fadA突变体挥发物组和2-TDC时均被耗竭，提示其对MKs敏感。
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3.3.2. 对蒺藜苜蓿根内圈的影响
这是本研究最引人注目的发现之一。暴露于Sm挥发物组（无论是WT还是fadA突变体）显著抑制了根内细菌群落随时间的自然多样化进程，使其保持了初始（T=0）的低多样性状态；而对照组和暴露于合成MKs的处理中，根内菌群多样性在14天后显著升高。这表明Sm挥发物组具有“锁定”根内菌群早期状态的作用。在分类组成上，Sm挥发物组暴露维持了根内优势菌——Ensifer/Sinorhizobium（根瘤菌）的高相对丰度，并抑制了短波单胞菌（Brevundimonas）、甲基杆菌科（Methylophilaceae）未分类属和厌氧螺菌（Anaerosporomusa）等细菌在根内的积累。相反，水杆菌（Hyphomicrobium）、鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）和假单胞菌（Pseudomonas）在野生型挥发物组暴露下被富集。功能预测分析（Tax4Fun2）显示，暴露于fadA突变体挥发物组增加了根内固氮酶nifH基因的预测丰度。
研究结论与意义
本研究首次全面阐述了中华苜蓿根瘤菌挥发物组及其关键组分甲基酮（MKs）对土壤和植物微生物群落的深远影响。主要结论如下：首先，成功构建的fadA突变体是研究MKs生态功能的理想材料，其MKs产量远超野生型。其次，Sm挥发物组对微生物群落的影响具有生态位特异性，在根内圈的作用尤为显著和独特。最关键的发现是，复杂的Sm挥发物组（而非单一的合成MKs）能够有效维持共生根瘤菌（Ensifer/Sinorhizobium）在宿主根内的优势地位，同时抑制其他细菌类群的侵入，从而塑造一个以共生菌为主导的、低多样性的根内微生物群落。这种“选择性守门员”效应可能是根瘤菌协助宿主植物管理根内微生物环境、保障高效共生固氮的一种新机制。
此外，研究还鉴定出一系列对Sm挥发物或MKs敏感的特异性细菌类群（如Flavisolibacter, Lysobacter, Pseudomonas等），为后续研究这些微生物互作的功能后果提供了靶点。该研究不仅拓展了我们对根瘤菌挥发性信号分子合成与功能的认识，将细菌挥发性化合物的研究从单一化合物效应推进到复杂混合物（挥发物组）的整体生态效应层面，更重要的是，揭示了挥发物组在调控植物-微生物共生关系及其微环境中的关键作用。这些发现为深入理解微生物种间竞争、植物微生物组装配规律提供了新视角，也为未来开发基于微生物挥发性化合物的新型农业制剂（如微生物肥料或益生菌剂），通过调控根际微环境来促进植物健康和提高作物产量奠定了重要的理论基础。
