论文标题：Proline-2′-deoxymugineic acid, a phytosiderophore analog, drives beneficial rhizobacterial community formation to promote peanut micronutrition

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Tianqi WANG , Nanqi WANG , Kunguang WANG , Qiaofang LU , Zhechao DOU , Zhiguang CHI , Dongming CUI , Motofumi SUZUKI , Yuanmei ZUO

发表时间：15 Mar 2025

DOI：10.15302/J-FASE-2024551

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根际生命共同体与养分高效

Rhizobiont for High Nutrient Use Efficiency

专 辑 文 章 介 绍

· 第七篇 ·

▎论文ID

Proline-2´-deoxymugineic acid, a phytosiderophore analog, drives beneficial rhizobacterial community formation to promote peanut micronutrition

脯氨酸-2´-脱氧麦根酸，一种植物铁载体类似物驱动有益根际微生物群落组成以改善花生微量元素营养

文章类型：Research Article

发表年份：2025年

第一作者：王天琪

通讯作者：左元梅

Email: zuoym@cau.edu.cn

作者单位：中国农业大学资源与环境学院，国家农业绿色发展研究院，养分资源高效利用全国重点实验室。

Cite this article :

Tianqi WANG, Nanqi WANG, Kunguang WANG, Qiaofang LU, Zhechao DOU, Zhiguang CHI, Dongming CUI, Motofumi SUZUKI, Yuanmei ZUO. Proline-2′-deoxymugineic acid, a phytosiderophore analog, drives beneficial rhizobacterial community formation to promote peanut micronutrition. Front. Agr. Sci. Eng., 2025, 12(1): 69–80 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023531

· 文 章 摘 要 ·

禾本科作物可特异性分泌植物铁载体 (如2´-脱氧麦根酸，DMA) 以改善植物铁营养。然而，DMA如何调控根际微生态系统中有益细菌群落组成还不得而知。因此，本研究使用了DMA类似物，脯氨酸-2´-脱氧麦根酸 (PDMA)，以评估其对花生根际细菌群落组成和网络结构的调控作用。研究表明，PDMA能够促进植物吸收多种矿质营养元素，并活化根际土壤中的微量元素。同时，PDMA显著影响了花生根际细菌群落结构，尤其使放线菌门中六个有益菌属的相对丰度显著增加。在施用PDMA处理所招募的放线菌门中，Cellulosimicrobium和Marmoricola可能与花生微量营养元素的提高有关。根际微生物网络的拓扑参数和关键属分布结果表明，PDMA的施用促进了更加紧密且稳定的微生物网络的形成。功能预测结果显示，PDMA促进了根际的微生物交流。综上，PDMA能够招募有益细菌，并调节花生根际的微生物网络结构。以上结果表明植物铁载体可能通过调控植物-土壤微生态互作系统促进植物生长和养分吸收。

· 文 章 亮 点 ·

1. 脯氨酸-2´-脱氧麦根酸 (PDMA) 显著改变了花生根瘤菌群落。

2. 施用PDMA大幅增加与植物和土壤微量元素营养有关的有益细菌，特别是放线菌。

3. PDMA使花生根际于微生物网络趋于稳定并促进微生物间的交流。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

植物在生长过程中会释放根系分泌物进入根际空间，从而改变根系生长环境，促进养分吸收，调控根际微生物群落结构。禾本科作物在缺铁时可特异性分泌植物铁载体，如2´-脱氧麦根酸 (DMA)。DMA能够活化并螯合土壤中的难溶性铁，并被玉米、花生等植物吸收利用。然而，DMA如何调控根际微生物群落组成还缺乏相关研究。DMA的不稳定性和高昂成本限制了其应用前景。近年来合成的DMA类似物脯氨酸-2´-脱氧麦根酸 (PDMA) 解决了DMA的缺点并保留了活化土壤养分的优势。因此，利用PDMA探究植物铁载体影响下根际微生物群落结构的响应过程，对于理解植物根际养分高效利用过程具有重要意义。

▎研究结果

先前结果中发现，PDMA能够有效改善花生的Fe营养。本研究进一步证明将PDMA施用于根际后，显著提高了花生植株的N、Ca、B和Zn浓度。同时，PDMA明显提升了根际土壤中Zn和Cu的有效性。说明，PDMA除了提高Fe的生物有效性外，对于植物–土壤系统中的其他营养元素同样有促进作用 (图1)。

图1 根施PDMA对花生植株及根际土壤养分有效性的影响。

进一步通过高通量测序研究发现，PDMA显著影响了根际微生物群落组成。LEfSe分析 (线性判别分析 (LDA) 结合效应量 (Effect Size) 分析) 结果表明，PDMA处理组中富集24个生物标志物，而对照组中仅有7个。在PDMA施用后，门水平上显著富集放线菌门，属水平上富集的11个属中有6个属于放线菌门 (图2)。

图2 PDMA对花生根际细菌群落组成的影响。

相关性分析结果表明，花生根际放线菌门的相对丰度与植物和土壤中微量元素有效性之间存在显著的正相关关系。同时，对照组富集的属水平微生物与植物生长和养分吸收呈现负相关关系，而PDMA处理富集的属水平微生物则大多与植物生长和养分吸收呈现正相关关系。尤其是Cellulosimicrobium和Marmoricola可能与根际土壤的铁、锌活化有关 (图3)。

图3 花生根际微生物与生理指标的相关性分析。

网络分析结果表明，在PDMA应用下的微生物网络中的节点高度互联，内部网络紧密连接。进一步计算微生物网络的Zi (模块内连通值) 和Pi (模块间连通值) 对微生物网络模块内和模块间连接性分析后发现，两个处理的网络结构有显著差异。在PDMA中，识别出5个连接了网络模块的关键属。相对的，在对照组中主要识别到了3个不同的关键属。这些结果表明，PDMA增加了连接模块的关键节点的数量，极大地改变了网络中的关键物种 (图4)。

图4 PDMA对花生根际细菌网络的影响。

利用PICRUSt 2分析发现，PDMA增强了环境信息处理过程、细胞过程和遗传信息处理过程。2级途径分析结果表明，PDMA处理增强了外源物质的生物降解和代谢、信号传导和细胞过程以及膜运输等功能。总体而言，PDMA对花生根瘤菌的功能有显著影响，主要体现在细菌间的交流 (图5)。

图5 PDMA对花生根际细菌功能的影响。

· 结 论 ·

本研究结果阐明了植物铁载体类似物PDMA调控了根际有益微生物组成，尤其是招募放线菌门微生物。其中Cellulosimicrobium和Marmoricola可能有助于活化根际土壤中的微量元素，并促进植物吸收。此外，本研究发现PDMA施用后使根际形成了稳定且复杂的微生物网络，促进了微生物间的相互交流。总之，PDMA可以介导植物与根际有益细菌之间的动态关联，展现出作为新型功能肥料的潜力。

【作者及团队介绍】

中国农业大学资源与环境学院，左元梅教授课题组主要从事解析豆科-禾本科间作与植物-微生物互作促进养分资源高效利用的调控机制。课题组主要聚焦于土壤–植物系统中微量元素养分循环与利用等关键问题，以多种农作物为研究材料，重点探究植物对微量养分的吸收、转运和利用机制，同时关注土壤微生物在养分转化与供应中的重要作用。以通讯作者身份在Nature Communications, Plant Cell & Environment, Journal of Experimental Botany等知名SCI刊物发表论文数十篇，授权并转化多项国家发明专利，部分成果已开发为新型肥料，应用于改善作物养分利用效率和土壤改良剂等方面，为提高农作物产量和品质、减少农业面源污染、促进农业可持续发展提供了理论支持与技术保障。

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