Science | 专家点评：植物微生物组通过调节扩散障碍调控选择性营养物质的吸收！

尽管植物和动物在进化史上存在差异，但它们都进化出了专门的屏障系统，以控制它们与外部世界的相互作用。这种屏障对于选择性的营养吸收至关重要。在动物肠道中，由紧密连接的上皮细胞起着关键作用。在植物中，养分的吸收发生在根部内皮的细胞层发挥着与肠道上皮类似的作用。内皮层周围的扩散屏障将植物内部与外部隔开，让内皮细胞决定吸收哪些营养物质。与动物肠道一样，根部微生物组对养分的吸收也有影响（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；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！Nature Protocols | 白洋和Schulze-Lefert团队建立植物根部细菌的高通量培养和鉴定方法！）。

2021年1月，国际顶级期刊Science发表了美国索尔克生物研究所Joanne Chory教授团队的点评文章，题为Multikingdom diffusion barrier control，本文点评了2021年1月Science发表的英国诺丁汉大学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（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！），揭示了植物根部发育中的内皮层和微生物的相互作用与植物有效地吸收养分的能力密切相关。

陆地植物通过根系从土壤中获取养分和水分。为了使植物有选择地吸收养分，已经演化出抑制被动扩散通过细胞壁的障碍。养分吸收的关键扩散障碍是在内皮层周围形成的。其中一层为凯氏带由木质素组成，这是一种沉积在内皮细胞壁上的交联聚合物。它产生了一个包围内皮细胞层并密封细胞壁空间的环。另一种扩散屏障是亲脂性聚酯聚合物木栓质，它沉积在细胞壁的内表面，有效地覆盖了整个内皮细胞的表面。这些层次共同将根的外部与内部密封起来，从而迫使任何营养物质通过细胞吸收，并使其受到稳态机制的制约，从而使植物能够控制其吸收的营养物质。因此，内皮层具有类似动物肠道上皮的功能，但相对于肠道上皮的紧密连接而言，其屏障功能是由木质素和木栓质层赋予的。

植物根部显示了在无菌条件下生长的植物根部(左)及其内皮中高量的木栓质(黄色)和接种了本研究中使用的细菌合成群落的植物根部(右)之间的差异。该合成群落可减少内皮栓质化。

内皮层的扩散障碍可受营养浓度的调节。例如，在高盐条件下，木栓质的沉积增加。相反，铁或锌等几种矿物质的营养缺乏条件会导致木栓质沉积减少。这让人联想到营养素对动物肠道内皮屏障功能通透性的依赖性调控。例如，谷氨酰胺可增加肠道屏障功能，而膳食脂肪可降低屏障功能。

现在科研人员发现在植物根部存在另一层调节扩散屏障的方法，并阐明了支持这种调节的途径。他们表明，根部微生物组中的特定细菌菌株具有通过抑制脱落酸激素信号传导途径来改变内皮层扩散屏障的组成和功能的能力，而脱落酸激素信号传导途径是植物对环境胁迫的响应的主要参与者。这种调节可以改善胁迫条件下的植物健康。同样，该发现让人想起动物肠道的机制，尽管其基础的分子机制几乎是未知的。在动物肠道中，已显示微生物可调节上皮的屏障功能，并伴有压力保护作用。因此，动植物系统中壁垒的动态关系似乎具有许多基本特性。

利用实验扰动研究宿主-营养物质-微生物组的相互作用需要大量的实验，因为实验条件的矩阵很快就会变得很大。科研人员使用的拟南芥系统提供了一些特定的优势。拟南芥是一个自交物种，从而产生了多个同源后代，可以用来系统地研究宿主基因型、营养和微生物对扩散障碍的相互影响的原因和机制，以及它们对机体健康的影响。此外，还有大量的突变体可供选择，包括在扩散障碍的形成中存在缺陷的突变体，或参与植物-微生物相互作用或营养传感和稳态的突变体。使用这些突变体可以揭示特定的微生物衍生分子或代谢物，或分子信号和养分浓度的组合，是否会引发对屏障形成的影响。

微生物群落影响根部扩散屏障

科研人员的工作揭示了选择性养分吸收、养分和微生物复杂的相互作用的一个重要方面。除了这方面的研究能够提供基本原理外，还具有农业前景。植物营养与我们通过开发具有高营养价值的作物来养活日益增长的全球人口的需求高度相关。后者是一个特殊的挑战，因为营养素缺乏仍然影响着全球人类人口的相当一部分（例如，缺铁），而且大气中二氧化碳浓度的增加所带来的碳肥预计将导致粮食作物中关键营养素的减少。定制根部微生物组以微调养分吸收，从而最大限度地提高产量和植物营养质量，这可能为解决这些问题提供了一个机会，这种方式更快推出，而且可能比工程作物遗传学所需的努力更少。

参考文献

I. Salas-González et al., Science 371, eabd0695 (2021).

S. Naseer et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 10101(2012).

J. Zeier, A. Goll, M. Yokoyama, I. Karahara, L. Schreiber,Plant Cell Environ. 22, 271 (1999).

M. Barberon et al., Cell 164, 447 (2016).

B. Wang et al., Amino Acids 47, 2143 (2015).

M. W. Rohr, C. A. Narasimhulu, T. A. Rudeski-Rohr, S.Parthasarathy, Adv. Nutr. 11, 77 (2020).

P. A. Bron, P. van Baarlen, M. Kleerebezem, Nat. Rev.Microbiol. 10, 66 (2011).

R. H. Beach et al., Lancet Planet. Health 3, e307 (2019).

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