关键微生物： 生长旺盛的白杨组杨树，其根部富集了更多的假单胞菌。

关键代谢物： 假单胞菌与两种植物代谢物——小麦黄素 和芹菜素 的生物合成密切相关。

关键基因： 基因 GLABRA3 (GL3) 被证实对小麦黄素 的分泌至关重要。

作用机制：当杨树中的 PopGL3 和 PopCHS4 基因持续活跃时，会促进小麦黄素 的分泌。分泌到根际的小麦黄素 能吸引并促进假单胞菌 在根部定殖。这些假单胞菌反过来帮助杨树在贫瘠的缺氮土壤 中更好地生长、吸收氮元素并促进次生根的发育。

摘要

（1）Plant growth behavior is a function of genetic network architecture. The importance of root microbiome variation driving plant functional traits is increasingly recognized, but the genetic mechanisms governing this variation are less studied 植物生长行为是遗传网络结构的一个功能。根微生物组变异驱动植物功能性状的重要性日益得到认可，但控制这种变异的遗传机制研究较少 .

（2）Here, we collect roots and rhizosphere soils from nine Populus species belonging to four sections (Leuce, Aigeiros, Tacamahaca, and Turanga), generate metabolite and transcription data for roots and microbiota data for rhizospheres, and conduct comprehensive multi-omics analyses. 在这里，我们收集了属于四个组(白杨树、黑杨、塔卡马哈卡和图兰加)的九种杨树的根和根际土壤，生成了根的代谢物和转录数据以及根际微生物群数据，并进行了全面的多组学分析。  

（3）We demonstrate that the roots of vigorous Leuce poplar enrich more Pseudomonas, compared with the poorly performing poplar. Moreover, we confirm that Pseudomonas is strongly associated with tricin and apigenin biosynthesis and identify that gene GLABRA3 (GL3) is critical for tricin secretion. 我们证明，与表现不佳的杨树相比，生长旺盛的白杨树根部富含更多的假单胞菌。此外，我们证实假单胞菌与小麦黄素和芹菜素的生物合成密切相关，并确定基因GLABRA3 (GL3)对小麦黄素的分泌至关重要。 

（4）The elevated tricin secretion via constitutive transcription of PopGL3 and Chalcone synthase (PopCHS4) can drive Pseudomonas colonization in the rhizosphere and further enhance poplar growth, nitrogen acquisition, and secondary root development in nitrogen-poor soil. 通过PopGL3和查尔酮合酶(PopCHS4)的组成型转录提高的tricin分泌可以驱动假单胞菌在根际的定殖，并进一步增强缺氮土壤中杨树的生长、氮获取和次生根发育。  

（5）This study reveals that plant-metabolite-microbe regulation patterns contribute to the poplar fitness and thoroughly decodes the key regulatory mechanisms of tricin, and provides insights into the interactions of the plant’s key metabolites with its transcriptome and rhizosphere microbes. 这项研究揭示了植物-代谢物-微生物的调控模式有助于杨树的适应性，并彻底解码了小麦黄素的关键调控机制，为植物关键代谢物与其转录组和根际微生物的相互作用提供了见解。

（6）Result

（7）Growth promotion of poplar by the soil microbial community 土壤微生物群落对杨树生长的促进作用

A. 不同土壤中杨树形态差异

内容： 这是一组照片，展示了两种杨树（LM50 和 Peu-H）的幼苗被移植到两种不同土壤中后的生长情况，对比条件：LM50 自己生长过的土壤。Peu-H 自己生长过的土壤。目的： 直观地显示 “土壤历史”（即之前被哪种植物种植过） 对后续植物生长的视觉影响。如果LM50在Peu-H种过的土壤里长得不好，可能意味着Peu-H的土壤留下了抑制LM50生长的微生物，反之亦然。B. 生长指标定量分析 内容： 柱状图，对图A中的视觉现象进行精确量化。C. 根际微生物标志物鉴定，内容： 一个分支图（通常称为“进化分支图”或“LEfSe图”），展示了在不同杨树组（如白杨组、黑杨组等）的根际中，哪些细菌类群具有显著差异。D. 微生物组PCA： 分析九种杨树根际微生物群落的整体结构差异。点代表样本，点之间的距离越近，说明它们的微生物组成越相似。目的是看不同杨树的微生物群落是否能被明显区分开。E. 表型PCA： 分析九种杨树生长性状的整体差异。这些性状可能包括株高、生物量等。目的是看不同杨树在生长表现上是否能被明显区分开。F. 转录组PCA： 分析九种杨树根部基因表达的整体差异。目的是看不同杨树在分子层面的活性上是否能被明显区分开。G, H, I. 多组学数据的层次聚类分析，这三个图使用另一种统计方法（HCA，通常表现为热图）来展示与D、E、F图相同的数据。G. 微生物组HCA： 将微生物组成相似的杨树样本聚类在一起。H. 表型HCA： 将生长表型相似的杨树样本聚类在一起。I. 转录组HCA： 将基因表达模式相似的杨树样本聚类在一起。

（8）Taxonomic features of the rhizosphere microbial composition between poplar genotypes 不同基因型杨树根际微生物组成的分类特征

（9）Co-expression network of gene expression, flavonoid productions, and rhizosphere microbial community 基因表达、类黄酮生产和根际微生物群落共表达网络

这是一个整合了转录组（基因）、代谢组（黄酮类代谢物） 和 微生物组（ASVs，即微生物物种） 数据的综合分析。方法： 使用了 k-means聚类算法 和 皮尔逊相关性分析。目的： 将成千上万个基因、代谢物和微生物变量，根据它们在所有27个样本中变化模式的相似性，归并为少数几个具有协同变化的“功能模块”。X轴： 27个样本，来自4个组（Sections）的9种杨树。白杨组： 样本1-12 (Pto-M, 84K, Pal-Y, LM50)，黑杨组： 样本13-18 (H3-1, 107)，，塔卡马哈卡组： 样本19-24 (Pot-M, Psz-Z)，图兰加组： 样本25-27 (Peu-H)。Y轴： Z-score（标准分）。这表示每个基因、代谢物或微生物在某个样本中的丰度/表达量是高于还是低于所有样本的平均水平。大于0表示偏高，小于0表示偏低。红色： 基因，蓝色： 黄酮类代谢物，橙色： 微生物，粗线： 该聚类中所有成员（基因、代谢物、微生物）Z-score的平均值，代表该“功能模块”的整体活动趋势。框内数字： 吧Cluster I（图兰加组富集）： 该模块的活性在图兰加组（样本25-27） 中最高。意味着这3672个基因、11种黄酮和865种微生物可能共同支持了图兰加杨树的特性。Cluster IV（白杨组富集）： 该模块的活性在白杨组（样本1-12） 中最高。特别是样本10-12（LM50，之前提到的生长旺盛的品种）活性非常突出。这强烈暗示该模块与旺盛生长相关，其中可能就包含了之前提到的 GL3基因、小麦黄素和假单胞菌。

（10） Tricin and apigenin-mediated pseudomonads enhancing nitrogen utilization and secondary root growth in poplar 小麦黄素和芹菜素介导的假单胞菌促进杨树氮素利用和次生根生长

聚焦于黄酮类化合物（特别是芹菜素和小麦黄素） 以及它们与微生物和植物生长的直接关联

A. 不同杨树组根部芹菜素和小麦黄素的分布热图，内容： 一个热图，展示了芹菜素和小麦黄素及其衍生物在27个杨树样本中的丰度。颜色： 每种颜色代表一个杨树组（如Leuce白杨组用一种颜色）。

星号： 标有星号的黄酮化合物是在白杨组中显著富集的。B. 芹菜素和小麦黄素的化学结构式，内容： 两种关键黄酮分子的化学结构图。C. Cluster IV 内部的基因-代谢物-微生物相关网络，一个网络图，展示了在生长旺盛相关的Cluster IV 内部，黄酮相关基因（红色节点）、黄酮代谢物（如芹菜素、小麦黄素） 和微生物 三者之间的强相关性。目的： 将宏观的聚类结果具体化，直接描绘出驱动杨树旺盛生长的 “基因→代谢物→微生物” 分子通路。D. Cluster IV 的基因/代谢物模块与关键微生物家族的关联 。 一个更上层的网络图，展示了前20的微生物家族 与Cluster IV中的关键基因功能模块 和黄酮模块 之间的关联。目的： 证明特定的有益微生物（如假单胞菌）不仅与一两种代谢物有关，而是与植物体内整个核心代谢通路 的活跃度紧密相连。E. 假单胞菌科与杨树生物量的相关性，内容： 一个散点图，展示了假单胞菌科 的相对丰度与杨树地上部和根部生物量之间的相关关系。F. 关键微生物属与植物性状的全局相关性热图。内容： 一个热图，展示了多种优势微生物属与11种杨树生长性状（如生物量、株高、氮含量等）的相关性。

证明了 “黄酮类物质（芹菜素/小麦黄素）— 假单胞菌 — 杨树生长促进” 这一因果链条

A. 黄酮对假单胞菌运动性的影响，内容： 展示了三种假单胞菌菌株（Pto1, Pto5, Pto10）在含有黄酮（5 μM 小麦黄素或100 μM 芹菜素）的软琼脂培养基上的群集运动 情况。结果： 与对照组（DMSO）相比，添加黄酮的培养基中，细菌的扩散范围更大。B. 黄酮对假单胞菌相关基因表达的影响，内容： 通过qRT-PCR实验，检测了用黄酮处理假单胞菌（Pto1）后，其鞭毛相关基因 和生物膜形成相关基因 的表达水平。C & D. 假单胞菌接种对杨树生长的促进作用（盆栽实验）内容：C: 在缺氮土壤中进行盆栽实验的示意图或照片，比较接种与不接种假单胞菌的杨树（84K）生长情况。D: 对C图的定量分析，包括地上部干重、根部鲜重、株高和叶片氮浓度。结果： 接种假单胞菌的杨树在所有指标上均显著优于对照组。E & F. 假单胞菌直接促进杨树根系发育（无菌培养实验）E: 在无菌、缺氮的培养体系中，接种Pto1对杨树整体、根部和叶片生长的视觉影响。F: 对E图的定量分析，比较在缺氮和富氮条件下，接种Pto1对杨树次生根数量、次生根长度和总生物量的影响。结果： 在缺氮条件下，接种细菌对植物生长的促进效果尤为显著，特别是次生根的发育。H & I. 机制探索：假单胞菌通过生长素信号通路促进根系发育。内容： 该实验使用拟南芥 这种模式植物和其基因突变体，来深入探究背后的分子机制。WT: 野生型拟南芥。plt3plt5plt7: 生长素输出载体 缺陷突变体，其生长素运输受阻。wox11wox12: 根尖干细胞调控因子 缺陷突变体，其侧根发育受损。处理： 比较了接种Pto1、外源添加生长素（IAA）、添加生长素运输抑制剂（TIBA）以及同时接种Pto1和TIBA后的表型。结果与结论：在野生型（WT）中，Pto1和IAA都能促进侧根形成，而TIBA抑制了这种促进。在plt 突变体中，Pto1无法促进侧根发育。在wox 突变体中，Pto1同样无法促进侧根发育。核心结论： 假单胞菌促进侧根发育的作用，依赖于植物体内完整的生长素运输（PLT基因）和正常的根尖发育程序（WOX基因）。这表明细菌很可能通过干扰或模拟植物的生长素信号通路来发挥作用。

（11） Pto1 induces the PLT3PLT5PLT7-mediated LR pathway in Arabidopsis by secreting IAA Pto1通过分泌IAA诱导拟南芥中PLT3PLT5PLT7介导的LR途径

关键调控基因 PopGL3 和 PopCHS4 的功能进行验证的图表，它从分子机制到整体表型，完整地揭示了这两个基因如何调控整个有益通路。 A. PopGL3 直接靶基因的 KEGG 富集分析 对 DAP-seq（DNA亲和纯化测序） 实验结果的生物信息学分析。DAP-seq用于在全基因组范围内鉴定转录因子（此处为PopGL3）直接结合的DNA序列。结论： 结果显示，PopGL3直接结合的基因在黄酮类化合物生物合成 通路上被显著富集。这从分子水平证明，PopGL3是黄酮合成通路的一个核心调控开关。B. PopGL3 调控的黄酮相关基因网络。内容： 将A图中发现的、受PopGL3直接调控的黄酮合成相关基因构建成一个共表达网络。结论： PopGL3不仅直接调控多个黄酮合成基因，而且这些基因在表达上协同工作，形成了一个被共同调控的基因模块。PopCHS4（查尔酮合酶基因）就在这个网络的核心位置。C. 杨树中黄酮生物合成与调控的示意图。内容： 一个总结性的模式图，描绘了从苯丙氨酸到最终黄酮产物（如芹菜素、小麦黄素）的生化通路。关键信息： 图中用红色字体标出了被PopGL3直接调控的基因。这直观地展示了PopGL3如何像“总指挥”一样，在多个关键步骤上控制整个黄酮合成流水线。D, E, F, G. 过表达PopGL3/PopCHS4对杨树表型、代谢和微生物的效应。D. 生长表型： 在未灭菌的贫氮土中，PopGL3-OE 和 PopCHS4-OE 的杨树长得远比野生型（WT）好。但在灭菌土壤中，这种生长优势消失了。结论： 过表达基因带来的生长优势完全依赖于土壤中的微生物，证明了“基因→代谢物→微生物→生长”的链条。E. 基因表达： 在OE株系中，PopGL3 和 PopCHS4 的表达量确实显著高于WT。F. 代谢物含量：根内： OE株系的根中黄酮含量更高。根系分泌物： OE株系分泌到土壤中的黄酮（特别是小麦黄素）也显著更多。结论： 过表达基因成功增加了黄酮的合成与分泌。G. 生长指标定量：在未灭菌土中，OE株系的地上部干重和叶片氮浓度都显著高于WT。在灭菌土中，OE株系与WT无显著差异。 再次强有力地证明，过表达基因是通过招募有益微生物来帮助植物吸收氮素、促进生长的。H & I. 过表达株系改变根际微生物组。内容： 比较了OE株系与WT的根际微生物群落（属水平）的差异。H (PopCHS4-OE): 假单胞菌属等细菌显著富集。I (PopGL3-OE): 假单胞菌属等细菌也显著富集。

 假单胞菌（Pto1）在杨树根部定殖 的直观和定量证据，A. 不同基因型杨树根部定殖的荧光成像。 利用共聚焦荧光显微镜拍摄的照片。研究人员使用了带有红色荧光蛋白 标签的假单胞菌Pto1菌株，因此细菌在根表会发出红色荧光。与野生型相比，两个过表达株系的根部应该显示出更密集、更广泛的红色荧光信号。B. 根部荧光强度的定量分析，内容： 对图A中的荧光现象进行精确量化。研究人员使用ImageJ软件测量了不同基因型杨树根部的红色荧光强度。C. 根部细菌定殖量的传统定量，内容： 通过菌落形成单位 计数这种经典微生物学方法进行定量。具体做法是将接种了细菌的根部研磨后，涂布在培养基上，长出的每一个菌落代表一个活的细菌。

genetic mechanisms