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研究概要与作者信息

本研究由Yuxuan Qin、Xueying Zhu、Yingying Zheng、Kun Wang等共同完成，其中Yuxuan Qin、Xueying Zhu、Yingying Zheng和Kun Wang为并列第一作者。通讯作者为Yuxuan Qin、Hai-Lei Wei和Xueyong Yang。研究团队主要来自中国农业科学院蔬菜花卉研究所、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所、青岛农业大学园艺学院、中国农业大学园艺学院以及美国内布拉斯加大学林肯分校。该研究发表于 Microbiome 期刊（2026年，14:77），题为“Host genetic regulation of xylem-resident Pseudomonas enhances cucumber growth”，系统揭示了宿主植物基因调控木质部内生微生物群落并促进作物生长的分子生态机制。

研究背景与科学问题

植物内生微生物在促进宿主生长发育、增强逆境耐受性和抵御病原菌侵袭等方面发挥着关键作用。然而，宿主植物如何通过自身遗传基础选择性招募有益微生物，尤其是维管系统木质部内的微生物，此前仍知之甚少。木质部是植物维管系统的核心组成部分，负责水分、矿质离子及信号分子的长距离运输，其内部环境高度特化，既可为有益微生物提供生态位，也可能成为病原菌入侵的通道。已有研究表明玉米木质部中存在具有固氮能力的核心细菌群落，但宿主遗传变异如何塑造木质部微生物组的组成与功能，尚未得到系统阐释。黄瓜（*Cucumis sativus*）作为重要的经济园艺作物，具有发达的维管系统和易于采集的木质部汁液，是研究维管生物学和宿主-微生物互作的理想模型。基于此，本研究旨在通过对109份黄瓜核心种质进行群体水平的微生物组分析，结合全基因组关联分析（genome-wide association study, GWAS），鉴定调控木质部核心微生物丰度的宿主遗传位点，并进一步揭示其背后的“基因-微生物-功能”完整通路。

研究流程与实验设计

本研究主要包括以下几个关键实验环节。第一，研究材料与群体遗传结构分析。研究选取了109份黄瓜核心种质，这些材料覆盖欧亚型、东亚型、西双版纳型和印度型四个遗传亚群，代表了栽培黄瓜及其野生近缘种的广泛遗传多样性。通过利用四倍简并位点的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP）数据构建邻接进化树，并采用ADMIXTURE软件进行群体结构分析，确认了群体划分的合理性。

第二，多区室微生物组采样与测序。在温室条件下，于黄瓜结果期采集了根际土壤、根内际、茎内际、叶内际、叶际、木质部汁液以及非根际土壤（bulk soil）等七类样本。木质部汁液的采集采用根茎交界处横切后收集溢泌液的方法。随后提取各样本总DNA，并对16S rRNA基因V4区进行扩增子测序。测序平台为BGISEQ MGISEQ-2000，数据分析采用QIIME2流程，经DADA2去噪生成扩增子序列变体（amplicon sequence variant, ASV），并基于SILVA 138数据库进行分类注释。

第三，核心微生物群落鉴定与功能预测。通过占有率和相对丰度双重标准筛选木质部核心ASV，即要求ASV在所有木质部样本中均可检出（occupancy=1）且平均相对丰度大于0.1%。同时利用UpsetR和Venn图分析ASV在不同区室间的共享与独有分布，并比较核心ASV在其他植物区室中的富集情况。

第四，GWAS分析。以核心ASV的相对丰度为微生物表型，利用225万高质量SNP进行全基因组关联分析。采用混合线性模型（mixed linear model, MLM）校正群体结构和亲缘关系，使用Bonferroni校正确定全基因组显著性阈值（P<8.13×10⁻⁷）。在显著关联信号附近±15 kb范围内进行候选基因筛选，并结合RNA-seq数据比较不同单倍型间候选基因的表达差异。

第五，可培养核心菌株的分离与功能验证。从木质部汁液中分离细菌菌株，通过16S rRNA基因全长测序鉴定其分类地位，并与核心ASV进行序列比对。对与Pseudomonas ASV_4高度同源的菌株220进行全基因组测序、比较基因组分析和体外促生性状检测，包括吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid, IAA）合成、溶磷、产铁载体、产氨以及拮抗青枯病菌等能力。进一步通过绿色荧光蛋白（green fluorescent protein, GFP）标记菌株接种黄瓜幼苗，利用激光共聚焦显微镜验证其在木质部中的定殖能力。最后，在无菌和非无菌土壤条件下分别进行接种实验，测量黄瓜幼苗的株高、茎粗、叶面积、鲜重、干重及净光合效率等表型指标，同时对接种后木质部汁液进行代谢组学分析，以阐明促生作用的代谢基础。

主要研究结果

研究首先发现黄瓜木质部微生物组在群落水平上与其他植物区室显著分离。基于Bray-Curtis距离的主坐标分析（principal coordinates analysis, PCoA）显示，木质部样本形成独立且紧密的聚类，PERMANOVA检验表明区室差异极显著（R²=0.4547，P=0.001）。在α多样性方面，木质部微生物群落的Shannon指数相对较低，与地上部组织相当。分类学组成分析表明，变形菌门（Proteobacteria）在所有亚群中均占据绝对优势，相对丰度约88.6%至88.8%，其次是拟杆菌门和放线菌门。不同遗传亚群之间的木质部细菌群落在β多样性和α多样性上均无显著差异，说明木质部微生物群落结构高度保守。

通过核心群落分析，研究共鉴定出20个在全部109份材料中稳定存在的核心ASV，涵盖变形菌门、拟杆菌门和放线菌门共11个属。其中*Pseudomonas*属包含5个ASV，数量最多，其次是*Acinetobacter*（3个）和*Stenotrophomonas*（2个）等。15个核心ASV在木质部中显著富集，其中10个为木质部独有，提示这些类群可能在维管系统中具有特殊生态功能。

GWAS分析在3号染色体上鉴定出一个与Pseudomonas ASV_4相对丰度显著关联的位点，而Stenotrophomonas ASV_1未检测到全基因组显著信号。基于连锁不平衡衰减，研究将位于该位点附近的*CsaV3_3G028420*基因命名为*CsXPR1*（xylem Pseudomonas recruitment 1）。该基因编码一个TPR类超家族蛋白，可能通过蛋白-蛋白互作参与激素信号传导和逆境响应。根据显著SNP的单倍型分析，109份材料被划分为三种单倍型，其中Hap2（CCA）在东亚型和欧亚型栽培黄瓜中表现出显著更高的Pseudomonas ASV_4丰度和*CsXPR1*表达水平，提示该等位基因可能在栽培驯化过程中被选择。

研究从木质部汁液中分离获得菌株220，其16S rRNA基因序列与Pseudomonas ASV_4具有97%相似性，全基因组系统发育分析和平均核苷酸一致性（average nucleotide identity, ANI）分析将其鉴定为*Pseudomonas fulva*。菌株220基因组全长约5.13 Mb，GC含量61.42%。功能注释和体外实验证实该菌具有溶磷、产铁载体、产氨以及抑制青枯病菌等多种促生和生防性状。GFP标记实验证实菌株220可经根部或叶面接种后系统性定殖于木质部。在无菌条件下，与对照菌株Stenotrophomonas 295相比，菌株220接种显著提高了黄瓜幼苗的株高（约1.3倍）、茎粗（75%）、鲜重（4.6倍）、干重（2.9倍）和净光合效率（3.7倍）。在非无菌自然土壤中，菌株220的促生效应呈现明显的基因型依赖性：仅在携带Hap2单倍型且*CsXPR1*高表达的NK60品系中，株高、茎粗、叶面积和生物量分别增加38%、36%、61%和51%–85%；而在Hap1低表达品系NK1中无显著促生效果。代谢组分析进一步揭示，菌株220接种后特异性地使NK60木质部汁液中4-亚甲基谷氨酰胺含量增加4.57倍，该化合物是花生木质部中已知的关键氮素运输载体，这表明菌株220可能通过富集这一氮代谢物增强宿主氮素利用效率，从而促进生长。

结论与意义

本研究首次构建了黄瓜木质部核心微生物组的遗传调控框架，并完整阐明了从宿主基因*CsXPR1*到有益菌*Pseudomonas fulva*的定向招募、再到木质部代谢物4-亚甲基谷氨酰胺富集和宿主生长促进的“基因到功能”通路。这一发现不仅拓展了植物-微生物互作研究从根际和叶际向维管系统的延伸，也为理解栽培作物驯化过程中有益微生物招募能力的遗传改良提供了新视角。在应用层面，该研究为开发针对维管系统的微生物接种剂和通过分子标记辅助育种培育能够高效组装有益微生物组的黄瓜品种提供了理论基础和基因资源。

研究亮点

本研究的亮点在于：第一，首次以黄瓜木质部为研究对象，系统揭示了其核心微生物群落的高度保守性和区室特异性；第二，将GWAS应用于木质部微生物组分析，鉴定出调控核心有益菌丰度的宿主基因*CsXPR1*，填补了植物维管系统微生物组遗传调控研究的空白；第三，通过菌株分离、全基因组测序、GFP标记定殖验证、无菌与非无菌接种实验以及代谢组学分析等多层次手段，建立了从基因到功能的完整证据链；第四，发现4-亚甲基谷氨酰胺作为关键效应代谢物参与菌株220的促生机制，为理解微生物驱动的氮素代谢调控提供了新线索。