垂直传播的种子核心内生菌增强了Ambrosia artemisiifolia的抗旱能力

《Microbiological Research》：Vertically transmitted seed core endophytes enhance the drought tolerance of Ambrosia artemisiifolia

　　

吴春鹏|陈雪|张一琪|李新燕|杨丹瑶|窦二雅|张凤娟

河北省微生物多样性研究与应用重点实验室，河北大学，保定071002，中国

摘要

种子内生菌在塑造植物微生物群落中起着关键作用，某些物种会在植物的整个生命周期中通过种子进行垂直传播。然而，它们的传播模式及其对干旱适应的贡献仍不甚明了。在这项研究中，通过对来自五个地理种群的种子和体外幼苗中的微生物群落进行比较分析，发现假单胞菌和芽孢杆菌是垂直传播的核心内生菌。进一步分析在共同花园中生长的植物的叶片和根部的内生菌群落后发现，这些属不仅主导了微生物群落，还可能是关键的Taxa。此外，盆栽实验表明，这些属在干旱条件下仍然占主导地位。与核心垂直传播的OTUs相关的代表性可培养分离株，包括Pseudomonas benzopyrenica和Bacillus cereus，通过全基因组测序携带多个抗氧化相关基因，qRT-PCR分析进一步显示，大多数这些基因在干旱胁迫下上调。盆栽实验表明，这两种菌株都能增强植物的耐旱性，NCED表达的变化与ABA水平的调节有关，而GST、SOD2和CAT表达的变化与接种植物中活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）的减少相关。这些发现加深了我们对垂直传播的核心内生菌在入侵植物适应中的作用的理解，并为基于微生物组的管理策略提供了新的视角。

引言

内生菌栖息在植物的内部组织中，由于它们独特的生态位，可以对宿主产生比附生菌或土壤微生物更直接和积极的影响（Xiong等人，2024年）；其中，种子传播的内生菌尤为重要，因为它们为植物微生物组提供了最初的接种源（Kim等人，2020年；Li等人，2025a年）。越来越多的证据表明种子内生菌的重要性，例如，它们有助于Miscanthus的种子萌发（Cope-Selby等人，2017年），并提高水稻的耐寒性（Zhao等人，2024a年）。尽管人们越来越认识到它们在发育和进化中的重要性，但对种子内生菌的研究仍处于初级阶段（Tao等人，2025年；Verma等人，2019年）。

与种子相关的微生物种类繁多，主要包括两类：一类是短暂存在的微生物，它们被种子携带但不会在发育中的幼苗中定植；另一类是持久存在的微生物，它们通过种子从母株传递到幼苗（Shade，2017年；Wani等人，2015年）。应排除短暂存在的微生物，以便专注于那些能够垂直传播并与宿主建立稳定持久关系的核心内生菌（Busby等人，2017年；Guo等人，2021b年）。核心微生物群落包括一组在各种地理环境中始终存在于植物中的微生物Taxa（Lemanceau等人，2017年；Santoyo，2022年；Trivedi等人，2021年）。这些核心Taxa具有高度适应性，在环境变化下有助于维持群落稳定性，并对提高宿主植物的抗逆性至关重要（Liu等人，2025年）。此外，垂直传播是指通过种子传递内生菌的过程（Abdelfattah等人，2021年），这使得植物与其有益细菌之间的“合作关系”得以延续（Vannier等人，2018年）。然而，只有少数种子内生菌能够在植物内部传播甚至定植于根际（Hardoim等人，2012年；Johnston-Monje和Raizada，2011年；Vannier等人，2018年）。例如，Garrido-Sanz和Keel提出，可遗传的种子传播细菌可能在种子萌发后从小麦种子内部组织迁移到根际（Garrido-Sanz和Keel，2025年）。从进化的角度来看，植物倾向于选择有益的内生菌进行种子传播（Bergna等人，2018年）。因此，研究种子内生菌的垂直传播对于增进我们对植物-微生物相互作用的理解至关重要（Berg和Raaijmakers，2018年；Kim等人，2022年）。尽管垂直传播的核心内生菌被认为很重要，但它们在微生物网络中的角色仍不清楚。在微生物网络中具有高连通性的关键Taxa是社区结构和功能的关键驱动因素，在生态系统过程中发挥着比连接性较低的Taxa更重要的作用（Banerjee等人，2018年；Lin等人，2023年；Shi等人，2020年）。如果垂直传播的内生菌确实作为关键Taxa发挥作用，那么它们的生态重要性将得到显著增强，这突显了明确其网络位置的必要性。

干旱是一种主要的非生物胁迫和有害的气候极端事件（Nivetha等人，2024年；Qi等人，2022年），它通过引起渗透压失衡和氧化损伤严重限制植物生长（Alam等人，2021年；Wang等人，2022年；Wu等人，2026年；Xiang等人，2025年；Yao等人，2025年）。除了其直接的生理效应外，干旱还通过作为选择压力耐受性表型的环境过滤器来影响入侵动态，从而影响入侵轨迹。干旱还可能通过破坏本地植物群落和改变资源可用性，促进入侵物种的加速扩散（Shi等人，2025年）。与本地物种相比，入侵植物通常表现出更强的耐旱性特征，如更高的水分利用效率和更大的根系可塑性，使它们能够在水分受限的条件下保持生长（Leal等人，2022年；Li等人，2023年；Tesfay等人，2023年）。此外，植物-微生物相互作用越来越被认为是调节耐旱性的关键因素，微生物通过多种生理和分子机制增强宿主的抗逆性（Fang等人，2025年；Li等人，2025b年；Nivetha等人，2024年；Zhao等人，2023年）。研究表明，内生菌可以增强多种植物的耐旱性，例如水稻（Niu等人，2022年）、番茄（Wan等人，2024年）和Lactuca serriola（Jeong等人，2021年）。一些开创性的研究还提出，种子传播的内生菌可能有助于入侵植物的建立、竞争力和耐逆性的提高（Mei等人，2022年；War等人，2023年；White等人，2018年）。然而，这些效应的具体机制仍不甚明了。

Ambrosia artemisiifolia L.是一种高度入侵性的植物，对生态系统和人类健康构成威胁（Knolmajer等人，2024年；Schaffner等人，2020年；Vandenkoornhuyse等人，2015年），已成功在中国多个地区定植。其显著的入侵性主要归因于其强大的环境适应性和耐旱性（Knolmajer等人，2024年；Onen等人，2017年）。这些特性促进了其在中国的扩散，尤其是在水资源分布不均的异质景观中。尽管植物-微生物相互作用被认为是植物抗逆性的重要驱动因素（Du等人，2025年），但A. artemisiifolia中垂直传播的内生菌的组成尚未得到充分研究，可遗传内生菌在该物种耐旱性中的作用也尚未阐明。

在这里，我们假设A. artemisiifolia种子中的垂直传播核心内生菌在叶片和根部的微生物网络中起关键作用，并携带增强宿主耐旱性的特征。因此，我们在田间实验中调查了多个地理种群中的种子核心内生菌；通过体外玻璃管实验鉴定出垂直传播的Taxa；并在共同花园和盆栽实验中评估了它们在干旱胁迫下的稳定性。此外，通过对代表性可培养分离株Pseudomonas benzopyrenica和Bacillus cereus>进行全基因组测序和qRT-PCR分析，鉴定了与干旱相关的功能基因。最后，通过结合盆栽实验和转录组分析评估了它们对宿主植物耐旱性的影响。我们的研究旨在确定种子内生菌是否能够稳定地定植于A. artemisiifolia的叶片和根部，并阐明它们增强植物耐旱性的机制。

章节片段

实验Ⅰ：A. artemisiifolia的种子核心内生菌分析

种子采集 2022年9月和10月，从中国东北部的长春（CC）、西北部的伊犁（YL）、秦皇岛（QHD）、廊坊（LF）和北部的保定（BD）五个地理种群的A. artemisiifolia成熟种子中采集了样本。每个地理位置选择了三个个体（n = 3），每个个体之间的距离超过100米，作为重复样本。

种子表面灭菌 选择了完整的A. artemisiifolia种子，并对其苞片进行了处理

实验Ⅰ：A. artemisiifolia的种子核心内生菌

共获得了635个不同的OTUs（表S3）。稀释曲线确认了足够的测序深度（图S1A）。PCoA分析显示，QHD、LF和BD的种子内生菌群落聚集在一起，而与CC和YL的群落明显分开。其中，YL与其他种群的差异最大（图1A）。Alpha多样性分析显示群落丰富度没有显著差异（Chao1，p =0.1023）（图S2A；表S4）；然而，

垂直传播的种子核心内生菌在植物-微生物相互作用中起核心作用

垂直传播的种子核心内生菌是相对稳定且可遗传的微生物群落，存在于种子内部（Chen等人，2024年；Ferreira等人，2008年；Stopnisek和Shade，2021年），并且越来越被认为是植物环境适应的重要贡献者。与土壤来源的微生物不同，这些垂直传播的内生菌为后代提供了针对各种非生物和生物胁迫的直接“微生物遗传”条件。研究表明，种子

结论

本研究探讨了植物-微生物相互作用，重点关注种子核心内生菌的垂直传播和功能作用。我们的发现表明，稳定的核心内生菌存在于种子中并通过种子垂直传递到叶片和根部，在那里它们可能作为微生物网络中的关键Taxa。这些内生菌在A. artemisiifolia的根部处于主导地位，在模拟干旱条件下能够生长，携带与干旱相关的基因，并

(Du等人，2025年；Li等人，2025年)

CRediT作者贡献声明

陈雪：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。张一琪：正式分析，数据管理。吴春鹏：撰写 – 初稿，可视化，验证。窦二雅：可视化。张凤娟：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。李新燕：可视化。杨丹瑶：正式分析。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号2022YFC2601004）、国家自然科学基金（项目编号31972343和32272562）以及河北省自然科学基金（项目编号C2022201032）的财政支持。

吴春鹏、陈雪和张凤娟设计了本研究。张一琪、李新燕、杨丹瑶和窦二雅进行了统计分析。吴春鹏和张凤娟撰写了主要手稿文本