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水杨酸调节根系特定细菌类群的微生物定植

得益于发表在《科学》(Science)杂志上的一项研究,科学家们最终窥探到了防御激素在地上和地下塑造植物健康的机制。研究结果揭示了一种拟南芥防御激素水杨酸(salicylic acid),是如何在帮助植物保护嫩芽和叶子健康的同时,引导其根内部及周围的微生物群落生长的。

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杜克大学生物学教授董欣年(Xinnian Dong,未参与该研究)说:“这是第一项研究真正将这种激素和与根有关的微生物组关联到一起。”


根部共生微生物可为植物提供许多的好处,包括提高对热、干旱和酸等环境压力的耐受力,帮助植物获得营养。但对于植物对地下微生物群落的影响,或是植物免疫系统与它在土壤中遭遇的细菌之间的互作机制却知之甚少。


为了探究这些相互作用,田纳西州大学的Sarah Lebeis和同事们培育出了一些拟南芥突变株,它们的生物合成或是对于不同的关键防御免疫激素,包括水杨酸、茉莉酸和乙烯的信号检测存在缺陷。随后,他们利用DNA测序分析了突变植物根内部和周围的细菌群落。


当他们比较突变和野生型拟南芥的细菌概况时,研究人员发现不仅在品种和物种水平上,并按更高的分类顺序根部菌群之间存在显著的差异。

“在我们的一些突变株中,我们看见了我们称之为失控的现象。本不该有的微生物却存在于那里,”Lebeis说。


这一效应在无法生成或响应水杨酸的突变株中最为显著。“我们发现水杨酸以及生成这一激素的能力是植物控制菌群必要的基本特征之一,”Lebeis说。


在拟南芥的嫩芽和叶子中,生成的水杨酸通过触发广泛的免疫反应帮助植物抵御了病原菌,包括提高了一些抗菌剂生成。然而这一化合物似乎在根系统中发挥了略微不同的作用,其提高了一些微生物的丰度,并降低或是消除了另一些微生物。


论文的共同作者、北卡罗来纳大学教堂山分校生物学教授Jeff Dangl说:“某些微生物实际上并不能进入或接触水杨酸缺陷的根部。这表明在野生型植物中,水杨酸实际上是招募这些微生物的必要条件。”


董欣年说:“有趣的是这一植物激素在嫩芽和根中发挥着完全相反的作用。根组织经常暴露于微生物下——几乎就像一个肠道。这里既有有益微生物也有致病微生物,因此你不会想看到有一个防御机制来抑制这些有益的微生物。”


Lebeis说,当前仍然不清楚拟南芥中水杨酸生物合成是如何将一些类型的细菌吸引到根部而阻断另一些的,不过有一些选择性微生物能够利用水杨酸来作为碳源。结果并没有表明是水杨酸,还是这一激素的改造版或是降解产物执行了这一功能。


密歇根州立大学博士生James Kremer(未参与该研究)谨慎地指出,通过DNA测序来鉴别细菌种群不能够完全捕获植物-微生物互作的复杂性。“它没有显示谁真正存活,谁在做事,谁在表达基因,谁在制造蛋白。但他们鉴别出了细菌种群的差异,这是这一领域一个巨大的进展。”


Kremer说:“利用土壤中所有的这些微生物是未来可持续农业主要的方向之一。现在我们还不知道如何操控植物来帮助招募这些有益的细菌。这一研究结果为实现这一目标奠定了很好的基石。”


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