种子介导的Pantoea核心内生菌垂直传播机制及其在小麦世代传递中的生态意义

本研究首次通过多组学分析和标记菌株追踪，揭示Pantoea agglomerans作为小麦种子核心内生菌的垂直传播机制。研究人员通过全球24个小麦品种的种子微生物组分析、三代田间试验和GUS标记实验，证实该菌株通过种子实现跨代传递，其丰度呈现根-茎-穗-种子的梯度递增特征。该发现为植物-微生物协同进化提供了直接证据，发表于《The ISME Journal》。

　　

在自然界中，植物与微生物形成的"全息体"(holobiont)关系日益受到关注。种子作为植物繁衍的关键器官，曾长期被认为处于无菌状态，但近年研究发现其内部存在复杂的微生物群落。这些被称为内生菌(endophytes)的微生物如何实现代际传递，特别是能否通过种子垂直传播，成为微生物生态学领域亟待解决的科学问题。传统研究多依赖微生物组测序的关联分析，缺乏直接实验证据，且对农作物核心内生菌的传播机制认识有限。

为解答这一科学问题，由Irene Sanz-Puente领衔的国际研究团队在《The ISME Journal》发表重要成果。研究人员采用多学科交叉方法：首先对全球采集的24个小麦品种进行表面灭菌处理，通过16S rRNA基因测序分析种子内生菌群落；建立无菌萌发系统追踪微生物动态；开展三代田间试验获取组织特异性微生物组数据；最后利用GUS标记的Pantoea agglomerans菌株进行跨代追踪实验。

研究结果部分，"Pantoea是小麦种子中唯一的核心分类单元"显示，在全球采集的小麦种子中，Pantoea平均相对丰度达61%，是唯一存在于所有样品的属，其代表性菌株P. agglomerans携带植物促生相关基因。"无菌萌发条件下Pantoea在幼苗中保持优势"证实，该菌在根(45%)和茎(38%)中仍占主导，说明其具备种子到幼苗的传递能力。"田间小麦各组织均含有Pantoea"通过β多样性分析发现，组织类型(R²=0.33)比基因型(R²=0.05)更能解释微生物组变异，且Pantoea呈现根(2-8%)→茎(11-14%)→穗(25-32%)→种子(46-61%)的显著递增梯度。"Pantoea丰度呈现从根到种子的独特上升模式"通过LEfSe分析确认，该菌是种子中最显著富集的菌属(LDA=5.5，P=2×10^-8)，这种梯度模式在其他菌属中未见。"Pantoea通过种子垂直传递给后代"通过全基因组测序发现，三代田间试验分离的菌株仅存在1个SNP差异；GUS标记实验则首次直接证实该菌能通过种子传递至G2代，且在禾本科植物中具有宿主特异性。

讨论部分指出，该研究首次实验证实了植物核心内生菌的跨代垂直传播。Pantoea独特的组织富集模式暗示其可能通过特定途径进入种子，而近乎相同的菌株基因组则表明传播过程中的高度保真性。研究建立的表面灭菌方案(超声+乙醇+次氯酸处理)为种子内生菌研究提供了技术规范。发现携带植物促生基因的P. agglomerans菌株可能通过产生生长素、铁载体等物质与宿主形成互利关系，这种"播种共生体"模式为农作物微生物组育种提供了新思路。研究同时提出，垂直传播能力在微生物中可能属于稀有性状，宿主植物可能通过形态和化学屏障对种子微生物组进行严格筛选。这些发现为理解植物-微生物长期共生进化机制提供了重要视角，对开发基于微生物组的可持续农业技术具有指导意义。