《Nature Plants》：Large-scale multi-omics unveils host–microbiome interactions driving root development and nitrogen acquisition
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本研究通过整合175份甘蓝型油菜种质的基因组、根转录组和根际微生物组数据，结合田间双环境实验，揭示了宿主遗传变异通过调控根系基因表达（如碳氮代谢相关eQTL热点）驱动Sphingopyxis等有益菌群定殖，进而促进侧根发育和氮素吸收的分子机制，为作物微生物组辅助育种提供了新靶点。
氮肥的过量使用导致温室气体排放加剧和土壤酸化，已成为全球性农业环境问题。甘蓝型油菜作为重要油料作物，其氮肥利用率亟待提高。植物根系与根际微生物组的互作是调控养分吸收的关键环节，但宿主遗传因素如何通过转录调控影响微生物群落组装，并最终调控作物氮素吸收的机制尚不明确。
研究人员收集了175份甘蓝型油菜种质，在开封（KF）和杨凌（YL）两个田间试验点进行多组学分析。通过整合全基因组重测序（WGS）、根组织转录组测序和根际细菌16S rRNA测序数据，构建了宿主基因型-基因表达-微生物组-氮素表型的关联网络。研究发现环境是影响基因表达和微生物组成的最大因素，而宿主基因型对转录组的解释度高于微生物组。
研究团队筛选出203个高遗传力细菌ASV（扩增子序列变异体），其中Sphingopyxis属细菌的丰度与宿主氮素含量显著相关。通过基因组关联分析（GWAS）和转录组关联分析（TWAS），鉴定到调控微生物丰度的宿主基因座，这些基因座多受碳氮代谢相关的eQTL热点调控。进一步通过分离培养获得一株Sphingopyxis细菌（分离株31），完成其全基因组测序（4.64 Mb），并发现该菌能够通过多条途径合成生长素（IAA）。
接种实验表明，Sphingopyxis通过调节生长素合成促进油菜侧根发育，在低氮条件下显著提高植株生物量和氮积累量。利用DR5::GFP报告基因系统，观察到接种后根系生长素运输增强。通过构建合成微生物群落（SynCom），验证了该菌在复杂菌群背景下的促生功能。研究还发现BnaA01g23120D和BnaC07g46780D等宿主基因是介导微生物促生作用的关键节点，其拟南芥同源基因突变体会丧失对Sphingopyxis的响应能力。
关键技术方法包括：1）多地点田间设计（KF和YL）的175份种质资源队列；2）根际微生物16S rRNA扩增子测序和宿主RNA-seq转录组测序；3）全基因组关联分析（GWAS）与表达数量性状位点（eQTL）定位；4）Sphingopyxis菌株分离培养和全基因组测序；5）HPLC-MS/MS测定细菌生长素合成能力；6）合成微生物群落（SynCom）接种验证。
宿主遗传和转录架构调控根际细菌微生物组的机制
通过GWAS分析，在KF和YL环境分别鉴定到169个和510个显著SNP-微生物关联，对应99个和317个数量性状位点（QTL）。TWAS分析进一步发现290个基因-微生物显著关联。eQTL分析显示95%以上为远距离调控位点，其中30%的eGene仅受1-2个eQTL调控，表明宿主通过离散的转录调控网络影响微生物组装。
Sphingopyxis通过生长素合成促进根系发育
扫描电镜证实Sphingopyxis在根表定殖。代谢组学分析发现接种后根系氨基酸衍生物、黄酮类等代谢物积累变化，其中生长素前体物质显著富集。HPLC-MS/MS检测表明该菌能以色氨酸、吲哚-3-乙腈等为底物合成IAA。DR5::GFP成像显示接种后侧根原基生长素信号增强，侧根密度显著提高（P=1.0×10-8）。
微生物-宿主基因互作增强氮素吸收
在低氮条件下，接种Sphingopyxis使油菜地上部氮积累量提高45%。实时荧光定量PCR显示BnaA01g23120D（编码Casein激酶II）和BnaC07g46780D（细胞壁代谢相关基因）等6个基因表达上调。这些基因富集于有机氮化合物代谢过程（GO:1901564）等通路，其拟南芥突变体丧失微生物促生效应，证实宿主基因在互作中的核心地位。
该研究通过多组学整合分析揭示了作物通过遗传调控根系转录程序选择性招募有益微生物的新机制，为设计“微生物组友好型”作物品种提供了理论依据。Sphingopyxis作为遗传可控的促生菌株，可通过调控生长素通路优化根系构型，在减少氮肥投入的可持续农业中具有应用潜力。
