《Discover Life》：Microbial modulation of secondary metabolites biosynthesis in plants
植物产生多种次生代谢产物（secondary metabolites, SMs），如生物碱、萜类化合物和酚类化合物，它们在防御、信号传导以及人类健康应用（如药物和营养保健品）中发挥关键作用。传统上被视为自主的植物生物合成过程，但多项证据表明，植物相关微生物（内生菌、根际细菌和叶际群落）在塑造SM谱系中具有深远影响。这些微生物通过直接机制（包括生物合成基因簇的水平基因转移、通过微生物激发子（如脂多糖）激发胁迫响应途径，以及提供前体或酶的代谢交叉喂养）调节SM生物合成。间接地，它们通过增强养分吸收、激素信号传导（如生长素、茉莉酸）以及微生物组介导的生物/非生物胁迫启动来改变植物生理。最近的宏基因组学和代谢组学研究强调了水稻和番茄等作物中微生物组与SM的协同作用，提高了黄花蒿中青蒿素等药用价值化合物的产量。然而，在区分微生物因果性与植物内源因素以及将这些相互作用扩展到农业生物技术方面仍然存在挑战。本综述综合了关于微生物工程化植物SMs的多学科证据，突出了分子机制、生态背景以及用于可持续作物改良和新药发现的生物技术前景。
1 Introduction
植物次生代谢产物（plant secondary metabolites, PSMs）是植物应对生物和非生物胁迫产生的生物活性化合物，在信号传导、防御和适应中起关键作用。PSMs主要分为萜类、酚类和生物碱三类，具有抗菌和抗癌等特性，广泛应用于医药、农业等领域。其生物合成受多种胁迫因素影响，通过复杂的转录网络（包括转录因子）调控。植物相关微生物（如内生菌、根际细菌和叶际微生物）可调节PSMs途径，例如枯草芽孢杆菌促进大豆生长，丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）增加棉花中黄酮和酚类含量。当前研究存在知识空白，本综述旨在综合最新进展，聚焦构建稳定合成微生物群落（synthetic microbial communities, SynComs）的框架。
2 Biosynthetic pathways of plant secondary
植物次生代谢产物通过三大主要生物合成框架产生：莽草酸途径、乙酸-丙二酸途径（聚酮样）和异戊二烯途径（甲羟戊酸/甲基赤藓醇磷酸途径），前体来自初级代谢中间体如乙酰辅酶A、磷酸烯醇式丙酮酸和葡萄糖衍生单元。
2.1 Shikimic acid pathway
莽草酸途径将赤藓糖-4-磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸转化为分支酸，经七步酶促反应生成芳香族氨基酸苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。苯丙氨酸通过苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase, PAL）进入苯丙烷途径，产生香豆素、木质素、黄酮类等；酪氨酸产生异喹啉生物碱、醌类、甜菜色素；色氨酸产生植保素、生物碱、吲哚芥子油苷和生长素。该途径连接碳水化合物代谢与防御相关酚类及芳香族天然产物的生物合成。
2.2 Acetate-malonate pathway (Polyketide-like)
乙酸-丙二酸途径利用乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A，通过聚酮合酶（polyketide synthases, PKSs）经多次克莱森缩合反应组装聚酮链，产生芪类、简单酚类和某些黄酮骨架。该过程与莽草酸途径协同作用，增加参与紫外线屏蔽、抗氧化和防御信号传导的酚类SM多样性。
2.3 Isoprenoid (terpenoids) pathways: MVA and MEP
异戊二烯途径通过细胞质中的甲羟戊酸（mevalonate, MVA）途径和质体中的甲基赤藓醇磷酸（methylerythritol phosphate, MEP）途径产生萜类。两者均产生通用五碳单元异戊烯基二磷酸（isopentenyl diphosphate, IPP）和二甲基烯丙基二磷酸（dimethylallyl diphosphate, DMAPP）。MVA途径由三个乙酰辅酶A分子缩合，MEP途径由甘油醛-3-磷酸和丙酮酸反应。IPP和DMAPP经异戊烯基转移酶生成单萜、倍半萜、二萜和三萜前体，再由萜类合酶环化或重排，形成单萜（挥发性）、倍半萜（植保素）、二萜（紫杉烷、赤霉素）和三萜（甾醇、皂苷）。
3 Microbes and plants interaction and their niche
植物与微生物（细菌、真菌、古菌）形成共生关系，微生物影响植物生长、发育、养分吸收和胁迫耐受。微生物占据特定生态位：根际、内生圈和叶际，每个生态位提供独特的理化环境，根分泌物、植物基因型等决定微生物群落结构。
3.1 Types of plant associated microorganisms
3.1.1 Endophytes
内生菌生活在植物组织内而不引起病害，通过天然开口或伤口进入，建立稳定共生关系。它们产生植物激素和防御化合物，促进生长，增强抗氧化和酚类含量。例如，内生菌可提高宿主对活性氧（reactive oxygen species, ROS）的耐受性，通过产生生物碱（如lolines）和碳水化合物（甘露醇、阿拉伯糖醇）缓解非生物胁迫。
3.1.2 Rhizobacteria
根际细菌定殖于根际土壤区域，根分泌物提供丰富养分。它们合成渗透保护剂、胞外多糖和挥发性化合物，促进生长和胁迫耐受。例如，铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和伯克霍尔德氏菌（Burkholderia gladioli）上调番茄中酚类化合物（黄酮增加80.9%）和有机酸代谢基因。
3.1.3 Phyllosphere microbiota
叶际微生物定殖于地上部分，面临紫外线辐射、温度波动和营养限制。它们产生激素、色素、挥发性有机化合物和胞外多糖以促进生存，并通过微生物激发子信号触发植物细胞受体，诱导萜类、酚酸和黄酮合成。但多数研究集中于根际和内生菌。
3.2 Microbial colonization in plants
定殖始于根际，根分泌物吸引土壤细菌，形成生物膜。部分细菌通过根毛、表皮裂隙或侧根进入组织成为内生菌，通过维管系统扩散。定殖受植物发育阶段、土壤性质、微生物竞争和宿主特异性影响。植物基因型显著影响微生物群落组成。
4 Microbes mediate mechanisms for modulating secondary metabolites
微生物通过遗传、生化和代谢因素调节植物次生代谢，包括水平基因转移、激发子激发、代谢交叉喂养和激素调节。
4.1 Horizontal gene transfer of biosynthetic gene clusters
水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）在物种间转移生物合成基因簇（biosynthetic gene clusters, BGCs），通过转化、转导、接合及可移动遗传元件实现。植物相关微生物作为BGCs来源和载体，可能影响宿主代谢。例如，内生真菌和细菌产生与宿主相同或相似的次生代谢物。功能整合增加植物生化能力，但区分基因流与垂直遗传存在挑战。
4.2 Microbial elicitors trigger SM biosynthesis
微生物激发子包括微生物相关分子模式（microbe-associated molecular patterns, MAMPs），如脂多糖（lipopolysaccharides, LPS）和鞭毛蛋白，被植物细胞膜上的模式识别受体识别，触发钙离子内流、ROS爆发、MAPK级联，激活转录因子（WRKY、MYB、bHLH），促进苯丙烷、萜类和生物碱途径基因表达。微生物挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）也可远程调节代谢。涉及茉莉酸（jasmonic acid, JA）、水杨酸（salicylic acid, SA）和乙烯（ethylene, ET）信号通路交叉对话。
4.3 Metabolic cross-feeding
代谢交叉喂养是生态和生化相互作用，微生物提供前体（如有机酸、氨基酸）和酶（氧化还原酶、糖基转移酶、水解酶），改变植物代谢物。微生物网络通过功能互补和代谢分区增强养分循环和代谢物周转。该过程连接植物初级代谢、微生物代谢和环境因素，提高植物全生物体的适应性和次生代谢物合成。
5 Indirect microbial regulation of plant secondary metabolism
微生物通过调节养分有效性、激素平衡和胁迫响应间接影响植物次生代谢。
5.1 Nutrient mobilization and plant growth promotion
植物促生微生物（plant growth-promoting microorganisms, PGPMs）通过生物固氮（如根瘤菌、固氮螺菌、固氮菌）提供氮，促进芳香族氨基酸合成；磷酸盐增溶微生物（如假单胞菌、芽孢杆菌、曲霉）分泌有机酸和磷酸酶，提供可溶性磷，加速ATP依赖过程；铁载体增加铁吸收，作为细胞色素P450和苯丙氨酸解氨酶（PAL）的辅因子。这些过程上调限速次生代谢物基因。
5.2 Hormonal signaling modulation
植物根际促生菌（plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR）和内生菌产生或调节植物激素。生长素促进根系发育，间接支持次生代谢；茉莉酸（JA）是防御和次生代谢的核心调节因子，增强萜类、生物碱和酚类合成；水杨酸（SA）促进酚类和病程相关蛋白积累；乙烯（ET）、脱落酸（ABA）和赤霉素（GA）也受微生物调节。微生物ACC脱氨酶降低胁迫诱导的乙烯水平，优化生长-防御平衡。
5.3 Microbiome-mediated stress priming
微生物诱导的应激启动通过表观遗传编程、转录重编程和代谢适应，使植物在胁迫下快速激活次生代谢途径，产生酚类、植保素和萜类。
5.3.1 Biotic stress tolerance
启动增强植物对病原体、昆虫和植食者的防御，通过诱导系统抗性（induced systemic resistance, ISR）和系统获得抗性（systemic acquired resistance, SAR），依赖JA、SA和ET信号，上调植保素、酚类和黄酮。
5.3.2 Abiotic stress tolerance
启动增强对干旱、盐碱、极端温度和重金属的耐受，通过刺激抗氧化防御机制（如黄酮、类胡萝卜素、酚类）和ABA、JA信号，改善水分利用效率和渗透调节。
6 Multiomics approached for PSMs and microbiome profiling
宏基因组学通过高通量测序分析微生物群落结构和功能基因，揭示特定微生物类群与植物防御化合物水平的相关性。代谢组学（LC-MS/MS、GC-MS、NMR）鉴定代谢变化。整合多组学（宏基因组、转录组、蛋白质组、代谢组）直接关联微生物组成与基因表达、酶活性和代谢物合成，发现新酶和调控机制，预测微生物组对环境的响应。
7 Case studies demonstrating microbiome-PSM synergy
7.1 Medicinal plants
黄花蒿（Artemisia annua）中内生菌Pseudonocardia sp.上调CYP71AV1和CPR基因，提高青蒿素含量。内生菌联合体（枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、伯克霍尔德氏菌、阿氏不动杆菌）上调关键结构基因（CYP7AV1、ADS、FPS、DXS1、DXR1、HMGR、HMGS、ADH1/2、SQC、ISPH），下调角鲨烯合酶（SQS），增加青蒿素产量。真菌内生菌（Colletotrichum gloeosporioides、Cochliobolus lunatus、Curvularia pallescens、Acremonium persicum）也提高青蒿素含量和生物量。
7.2 Crop plants
水稻根际微生物作为酚类控制中心，根分泌物（有机酸、氨基酸、糖）吸引有益细菌（假单胞菌、芽孢杆菌、伯克霍尔德氏菌），诱导系统抗性，上调PAL基因，加速木质素和黄酮积累。特定芽孢杆菌提高水稻籽粒和糠中tricin（黄酮）水平。假单胞菌诱导木质素沉积，阻止稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）侵染；有益菌刺激水稻植保素（momilactones、sakuranetin）产生。番茄根际微生物上调PAL和CHS基因，积累绿原酸、咖啡酸、芦丁和番茄红素。内生菌（Rhizobium pusense、Methylophilus flavus、Pseudomonas aeruginosa）增强番茄红素。木霉菌（Trichoderma viride）使番茄红素增加230%，总酚增加61%，抗氧化活性增加77%。叶际微生物诱导萜类（如β-水芹烯）和α-番茄碱。微生物帮助番茄适应盐胁迫，通过合成渗透调节剂和特定黄酮。
7.3 Endophyte-derived secondary metabolites
内生菌直接合成宿主次生代谢物，如内生真菌Taxomyces andrenae产生抗癌萜类紫杉醇（paclitaxel），Penicillium polonicum和Colletotrichum gloeosporioides产生抗阿尔茨海默症生物碱石杉碱甲（Huperzine A），Alternaria oxytropis产生喹啉生物碱喜树碱和苦马豆素（swainsonine）。这源于水平基因转移，形成共享代谢输出，持续激发防御代谢途径，积累生物碱、萜类和酚类。
8 Biotechnological applications of PSM
8.1 Microbial bio-elicitors for SM enhancement
微生物来源的激发子，如壳聚糖、昆布多糖（β-1,3-葡聚糖），可诱导葡萄中芪类植保素，保护灰霉病、霜霉病等。整个微生物（如PGPR、内生真菌）也可作为生物激发子，通过识别触发钙离子内流、ROS爆发和MAPK级联，激活转录因子调控次生代谢基因。
8.2 Synthetic microbiome engineering (SynComs)
合成微生物群落（SynComs）由精确选择的微生物组成，基于多组学和基因组规模代谢模型设计，表现出高功能稳定性和弹性。例如，枯草芽孢杆菌、哈茨木霉、棘孢木霉和曲霉联合体促进辣椒生长并改变根形态。最小群落（MinCom）保留铁获取、胞外多糖产生、钾溶、固氮、GABA和IAA相关基因。
8.3 Microbial consortia for metabolite production
微生物联合体（如根瘤菌、固氮菌、芽孢杆菌）提供氮磷钾，提升黄芪（Astragalus mongholicus）耐旱性和药用成分。链霉菌（Streptomyces microflavus）和哈茨木霉（Trichoderma harzianum）联合体在番茄中协同诱导更强抗性，增加次生代谢物合成。
