基于模型的定义微生物群落设计揭示了支持植物生长和胁迫耐受性的相互作用机制

《The ISME Journal》：Model-guided design of defined microbial community reveals interactions underpinning plant growth and stress tolerance

　　

摘要

定义的微生物群落（DMCs，也称为SynComs）通过利用与植物有益的微生物，为促进植物生长和增强抗逆性提供了一种有前景的策略。然而，合理设计并高效探索复杂的DMC配置仍然具有挑战性。在这里，我们提出了一个可解释的、基于模型的框架，该框架整合了植物表型分析、微生物基因组学和机器学习，以优化DMC的效果，并识别与植物性能相关的微生物相互作用。以番茄为模型，我们在生长实验中评估了不同的DMC组合、温度和代谢物组合，并使用了一个包含301株植物（代表102种DMC组成）的受质量控制的数据集进行预测建模。基于植物生物量数据和DMC组成特征训练的弹性网络回归模型能够预测未知的DMC结果，而结合基因组特征显著提高了预测性能，这支持了功能潜力在模拟群落效应中的重要性。我们将该模型应用于优先选择和设计改进的DMC，这些DMC在实验室检测和田间试验中得到了验证。一种基于模型的DMC显著增强了植物的生长，并在受控条件下提高了其抗热能力。模型解释和多组学分析突出了特定的微生物相互作用，包括与Sphingobium属菌株和番茄素相关的代谢物相互作用，这些相互作用与宿主植物的应激响应基因表达有关。总体而言，我们的结果展示了一个可用于预测和优先选择DMC的可扩展框架，并确定了可能有助于促进植物生长和增强非生物胁迫耐受性的候选代谢物相关微生物相互作用。