Science重磅 | 北卡教堂山分校和诺丁汉大学研究揭示微生物改变植物根系通透性！
根为植物提供矿物质营养和水。扩散屏障可密封根部，防止内部水分和养分流失。2021年1月8日，国际顶级学术期刊Science发表了英国诺丁汉大学Gabriel Castrillo团队和美国北卡罗来纳大学教堂山分校Jeffery L. Dangl（近5年50篇高水平文章！Jeff Dangl院士团队在植物微生物互作领域取得重大进展！Nature | 重磅！Jeff Dangl团队揭示微生物组中的单一细菌属维持根的生长）等人合作的相关研究成果，题为Coordination between microbiota and root endodermis supports plant mineral nutrient homeostasis的研究论文。Salas-González等人研究发现，生活在模式植物拟南芥根上和根内的微生物会影响扩散屏障的形成，从而影响植物中矿质养分的平衡。修改了根部扩散屏障的植物表现出改变的细菌群落组成。微生物利用植物的脱落酸激素信号来稳定根系扩散屏障，以免干扰环境养分的供应，从而增强植物的胁迫耐受性。
所有的生物体均已进化出体内稳态机制，以控制其矿物质营养和微量元素含量（Cell Host & Microbe | 重磅！Schulze-Lefert团队揭示根系分泌香豆素与微生物互作改善植物铁营养！）。在植物的根和动物的肠道中，这些机制涉及专门的细胞层，这些细胞层充当了对水、溶质和免疫活性配体的扩散屏障。为了发挥这一作用，必须将形成这些层的细胞紧密地密封在一起。另外，这些细胞必须在与局部菌群相互作用的同时执行其稳态功能。在动物中，常驻微生物会影响肠道扩散屏障的功能，在某些情况下，这种相互作用的不协调会导致菌群失调。
在植物中，在内皮层中已鉴定出两种类型的细胞外根部扩散障碍：将细胞密封在一起的凯氏带（Casparian strip）和影响穿过细胞质膜运输的木栓质沉积物。这些根部扩散屏障是否以及如何与栖息在根部的微生物群落协调尚不清楚。这种协调可能会影响植物的生长性能、农艺产量以及农作物的营养质量（Science | 重磅！剑桥大学Giles Oldroyd课题组阐述植物通过共生微生物促进养分吸收！Nature Reviews Microbiology | 植物-微生物互作：从群落组装到植物健康）。
科研人员探讨并表征了控制根部扩散屏障性能的调节网络与栖息在根部的功能复杂、代谢活跃的微生物群之间的相互作用。为了解决这个问题，科研人员使用两种互补的方法探索了这种相互作用的推定互惠性质。
首先，科研人员对植物的微生物组进行了分析，并对根部扩散屏障进行了一系列特定的改变，以确定控制屏障组分合成和沉积的调控网络是否也控制了根部微生物组的结构。第二，科研人员从自然土壤中生长的植物的茎和根中分离出细菌菌株，以建立微生物组对根屏障功能的影响。最后，科研人员结合了两种方法来确定根部扩散屏障与其相关微生物群之间的分子联系。
科研人员分析了19个根扩散障碍突变体和过表达系的非冗余和多样化集合，以揭示根扩散障碍调控网络对植物微生物群落的影响。科研人员筛选了416种个体细菌菌株，使其能够改变内皮层中的凯氏带和木栓蛋白沉积物的功能，并发现了植物微生物群在影响根系扩散屏障功能并影响植物矿物质营养稳态方面的新作用。科研人员设计并部署了一个细菌合成群落，结合了离子组学和转录组学，以发现根扩散障碍与植物微生物群之间协调作用的分子机制。
科研人员的研究有三个主要发现：（1）控制内皮层根部扩散障碍的调控网络也影响植物微生物群的组成；（2）植物微生物组、细菌合成群落或天然微生物群落的个体成员控制内皮层扩散屏障的发展，特别是木栓蛋白沉积，这会影响植物的离子组和非生物胁迫的能力；（3）植物微生物组影响根扩散屏障功能的能力是通过抑制依赖于植物激素脱落酸的信号传导来实现的。
科研人员关于植物微生物组影响根扩散屏障功能的研究结果概括了微生物组在控制细胞跨界扩散屏障中的作用。此外，科研人员定义了多细胞生物中的扩散屏障如何结合微生物功能以调节矿物质营养平衡的分子基础。这一发现在植物和人类营养以及食品质量和安全方面具有潜在的应用。基于微生物的控制植物根系栓质化的策略为设计更具抗逆性的作物，新的生物强化策略和固碳方法提供了新的机遇。
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