铝毒性是全球酸性土壤中普遍存在的一种胁迫因素，被认为是仅次于干旱的第二大非生物胁迫。铝毒性会导致作物根系受损、生长受阻，最终导致其产量显著下降。在应对这种不利条件方面，土壤微生物发挥着至关重要的作用。它们通过群落间的代谢协同作用，不仅能够维持微生物群落的功能稳定性，还为植物生长提供重要支持。然而，这些微生物如何通过共生机制应对铝毒性胁迫的具体过程仍不清楚。
针对该问题，中国科学院南京土壤研究所梁玉婷研究员团队，联合中国科学院分子植物科学卓越中心王二涛研究员团队、北京大学生命科学学院白洋研究团队等国内外研究单位，在土壤根际微生物代谢互作提高群体抗铝性的研究中取得了重要进展。相关研究“喹诺酮介导的交叉喂养机制增强土壤微生物共生体的铝耐受性”（“Quinolone-mediated metabolic cross-feeding develops aluminium tolerance in soil microbial consortia”）为题，于2024年11月22日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。
该研究团队通过反向重水—拉曼光谱和非靶向气相色谱-质谱联用分析，发现由酸性红壤区水稻根际土分离获得的红球菌（Rhodococcus）和假单胞菌（Pseudomonas）组成的合成微生物群落（synthetic microbial community，SynCom）（Nature Food 2023, 4:912–924），在酸性铝毒胁迫下表现出显著优于单一菌株的群落稳定性、定殖能力以及对植物生长的促进作用。这一优势源于Pseudomonas分泌的群体感应信号分子2-庚基-1H-喹啉-4-酮（HHQ），其在合成微生物群落中作为交叉喂养的底物起到关键作用。该信号分子可被Rhodococcus高效分解，显著诱导PGAM，UAGCVT，MltG，DacD等合成酶关键基因的表达，介导其细胞壁组分胞壁酸的生物合成。这种交叉喂养模式能够显著提高Rhodococcus细胞壁的厚度与完整性，从而增强其铝毒耐受性与群落稳定性。同时，由于HHQ浓度的降低，Pseudomonas种群因HHQ积累引起的生长自限制现象得以缓解，其代谢活性也显著提升。
代谢交叉喂养机制增强土壤微生物菌群铝耐受性新机制
该研究基于代谢交叉喂养的概念揭示了维持酸性土壤微生物群体级别铝耐受性的新机制，强调了功能微生物细胞壁碳的重要性，为增强酸性土壤作物耐逆与生物功能提升提供了新思路。
该成果得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、中国科学院青年创新促进会等的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54616-0
