ISME | 最新研究揭示通过空气中的信号传递实现周围植物相似的根际微生物组成！
挥发性有机化合物（VOC）代表了许多植物间信号系统之一。鉴于它们的扩散性，VOCs起着重要的信号分子的作用，将植物的状态传递给邻近和远处的植物。植物VOC的释放是对诸如草食动物和病原菌侵袭等生物胁迫以及环境变化引起的非生物胁迫的响应。受损植物发出的信号会引起“植物间通信”，从而引起附近植物的防御。诸如C6脂肪酸，类异戊二烯（主要是萜烯），水杨酸甲酯（MeSA）和吲哚等挥发性物质被称为草食动物诱导的植物挥发物（HIPVs）。最近，一项研究提出，根据生物胁迫的诱导物类型，植物挥发物可分为两类：微生物诱导的植物挥发物（MIPVs）和HIPV。
研究表明，病原微生物感染植物会引发MIPV的释放。例如，黄瓜花叶病毒增加了南瓜属植物的挥发物排放总量。受马铃薯卷叶病毒感染的马铃薯植株显示出六种挥发性物质的释放增加。除病毒外，病原细菌还触发植物挥发物的释放。丁香假单胞菌PV的强毒株诱导了拟南芥中β-紫罗兰酮和α-法尼烯的释放，而无毒菌株对该病原菌的感染增加了MeSA的释放，表明挥发性物质的组成随病原菌的毒力而变化。植物挥发物的产生还受到病原真菌诱导的的影响。
有趣的是，有益的植物微生物，包括固氮菌，菌根真菌（Science | 菌根真菌可以塑造生态系统对环境变化的反应！）和促进植物生长的根瘤菌（PGPR）（PNAS | 英国牛津大学最新研究揭示根瘤菌从根际到共生的生活方式适应机制！），也可以调控植物的挥发性MIPV分布，从而诱导植物防御。自上个世纪以来，人们一直在研究PGPR，目的是改善植物的生长和生产力。研究表明PGPR通过诱导植物激素（例如吲哚3-乙酸，赤霉素，JA，SA和细胞分裂素）产生和磷酸盐溶解的细菌决定簇促进植物生长。在最近的一项研究中，PGPR恶臭假单胞菌KT2440诱导了玉米中吲哚和β-石竹烯挥发物的产生。这些研究表明PGPR通过触发植物挥发物的释放以及它们从一种植物到另一种植物的传播来引发植物固有的免疫反应。
众所周知，将新的PGPR引入植物根际中会调节原生根际微生物群落（专家点评：根际微生物组保护植物免受侵染）。然而，迄今为止尚未研究新引入的PGPR对邻近植物根际微生物群落的影响。近日，韩国传染病研究中心Choong-Min Ryu教授课题组在权威期刊The ISME Journal 发表了题为“Achieving similar root microbiota composition in neighbouring plants through airborne signalling”的研究论文，该研究采用了MIPV概念，假设PGPR在一种植物上的应用会通过MIPV影响相邻植物的根际微生物群。首次证明了源自PGPR的MIPV可以作为调节空间遥远植物根际微生物群落的驱动力。
本文研究了VOCs对接种了促进植物生长的根瘤菌GB03的番茄根际微生物群落及其邻近植物根际微生物群落的影响。有趣的是，在接种植物和邻近植物的根际微生物群落中检测到了高度的相似性（高达69%）。用GB03菌株处理过的番茄植株的叶子释放出β-茶碱作为特征性的VOC，这引起了邻近番茄幼苗根系分泌物中大量水杨酸（SA）的释放。番茄叶片暴露在β-茶碱中，导致SA从根部分泌。研究结果首次证明了植物根际及周围植物微生物群落的组成是通过植物的空中信号传导同步进行的。
图1 微生物诱导植物根际微生物组变化分析实验设计
图2 释放和接收植物根际的微生物组分析
图3 利用皮尔逊相关系数确定释放植物和接受植物之间微生物群落的相似性
图4 经PGPR处理的植物挥发性有机物的生成情况
图5 植物挥发物引起的受体植物根系分泌物中的植物激素分布图
图6 示意图表示通过微生物诱导的植物挥发物（MIPV）的产生和周围植物的反应以及根系分泌物中SA的增加影响微生物群落的建立