铁限制条件下内生氨微菌通过抑制水杨酸途径促进根际铁再动员的分子机制

本研究揭示了番茄在铁(Fe)限制条件下，根际内生菌Ammoniphilus sp.通过分泌谷氨酰胺(Gln)抑制宿主水杨酸(SA)信号通路，从而缓解H2O2爆发对酚类物质分泌的抑制，促进根际铁再动员的关键机制。该发现为解析植物-微生物互作调控铁稳态提供了新视角，对开发碱性土壤作物增产策略具有重要意义。

　　

在碱性土壤中，铁(Fe)的生物有效性显著降低，导致植物出现缺铁性黄化症状。尽管铁是地壳中含量第二丰富的金属元素，但在pH>7.0的石灰性土壤中，铁主要以难溶的三价氢氧化物形式存在。番茄等双子叶植物采用策略I（Strategy I）机制获取铁营养，包括根际酸化、Fe³⁺还原和Fe²⁺转运三个关键步骤。然而，高pH环境会缓冲根际酸化作用，抑制铁还原酶(FROs)活性，使策略I植物对缺铁更为敏感。

面对这一挑战，植物进化出根际铁再动员机制，其中质外体铁库的再利用尤为关键。研究表明，缺铁会触发水杨酸(SA)信号通路，诱导H₂O₂爆发，进而促进木质素合成并抑制铁动员酚类物质的分泌。有趣的是，拟南芥SA合成突变体pad4在缺铁条件下表现出更强的铁再动员能力，暗示SA可能是调控这一过程的关键节点。与此同时，植物根系与微生物组建立的共生关系也被认为是适应缺铁环境的重要策略，但微生物如何参与宿主铁再动员的分子机制尚不清楚。

中国的研究团队通过多组学联用技术，系统解析了缺铁条件下番茄根际微生物组的动态变化及其功能机制。研究人员首先采用16S rRNA基因测序比较了酸性(pH 6.2)和碱性(pH 7.5-8.0)土壤中番茄根际微生物组的组成差异，发现缺铁显著富集了内生菌Ammoniphilus sp.（OTU5）。通过构建无菌体系和水培实验，结合转录组(RNA-Seq)和代谢组(LC-MS)分析，揭示了该菌株通过分泌Gln抑制宿主SA通路，进而调控H₂O₂-木质素-酚类代谢轴的关键机制。

根际微生物组促进缺铁条件下的植物生长
比较自然土壤与灭菌土壤中番茄的生长表现，发现灭菌植株在碱性条件下出现更严重的黄化症状，且根际铁再动员效率(rREU^apoFe)显著降低。这表明根际微生物组对维持植物铁稳态具有重要作用。

缺铁重塑根际细菌群落结构
α多样性分析显示碱性土壤中微生物多样性显著降低。在门水平上，缺铁使根际变形菌门(Proteobacteria)相对丰度下降，而厚壁菌门(Firmicutes)成为优势菌群，其中Paenibacillaceae和Bacillaceae科的Ammoniphilus sp.（OTU5）在pH 7.5处理中占比达12.5%，且与rREU^apoFe呈强正相关(R=0.84)。

内生Ammoniphilus菌株增强宿主适应性
从番茄根系分离的19株Ammoniphilus中，AS27和AS63能显著提高缺铁植株的叶绿素含量（增加45%）和生物量。水培实验证实接种AS27可使地上部可溶性铁含量提升2.1倍，同时根质外体铁库减少58%。

细菌Gln抑制SA信号通路
转录组分析发现AS27接种下调了缺铁诱导的PR1（SA标志基因）等防御相关基因表达。代谢组检测显示接种根中Gln含量增加3.2倍，而游离SA水平降低67%。通过构建glnA基因缺失突变体(△glnA)证实：细菌Gln合成缺陷会丧失对SA通路的抑制能力，而回补菌株(CAglnA)可恢复这一功能。

Gln-H₂O₂-木质素轴调控铁再动员
H₂DCFDA荧光检测显示缺铁根中H₂O₂积累增加2.5倍，AS27接种可降低54%。木质素染色和定量证实，Gln通过抑制SA-H₂O₂信号减少木质素合成（降低38%），从而释放更多酚类物质（分泌量增加2倍）用于铁螯合。

这项发表于《npj Biofilms and Microbiomes》的研究首次阐明了根际内生菌通过代谢物介导的"Gln-SA-H₂O₂"调控轴，重塑宿主铁再动员程序的新机制。该发现不仅为理解植物-微生物互作提供了理论突破，更为开发基于微生物组调控的农业增产技术提供了潜在靶点。特别是在石灰性土壤分布区，通过定向调控Ammoniphilus等有益菌群的丰度，有望实现作物铁营养效率的遗传改良，这对保障粮食安全具有重要实践价值。