Nature Plants | 德国马普植物育种所研究揭示地下微生物群落解决地上植物的胁迫问题！

陆生植物是主要生活在陆地并在地球上形成植被的植物，它们通过根系固定在地面上，其性状取决于地下的土壤条件和地上的气候。植物通过光合作用过程利用阳光来生长，光能在叶绿体中转化为化学能，叶绿体是植物细胞的动力室。因此，叶绿体通过吸收光的色素（如叶绿素）感知光的数量和质量，是植物生长和健康的决定性因素（Cell | 重磅！德国马普生化所研究揭示植物如何强化其采光膜以应对环境胁迫！）。在光能转化为化学能的过程中产生的大量化合物，称为光同化物（主要是糖类），被转移到植物根部，释放到周围的土壤中以维持微生物的生长（Science | 植物与真菌的海誓山盟！研究揭示脂质交换驱动植物陆地化过程中的共生进化！Science | 重磅！植物和微生物的新途径：与共生微生物和病原微生物的相互作用驱动植物进化！PNAS | 英国剑桥大学揭示植物和共生真菌之间古老关系的新亮点：一种菌根相关的受体类激酶！）。因此，根部有复杂的细菌和丝状真核生物（即真菌和卵菌）的微生物群落，这些群落的组成深刻地影响着植物的性状（Nature | 年度重磅合集：植物微生物组！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；Nature Reviews Microbiology | 植物-微生物互作：从群落组装到植物健康）。然而，植物能在多大程度上利用地下的微生物来协调地上的胁迫反应，在很大程度上仍未被探索（Current Opinion in Plant Biology | 德国马普所综述微生物组-根-茎-环境与植物胁迫的关联！）。

2021年7月5日，国际权威学术期刊Naure Plants发表了德国科隆马克斯-普朗克植物育种研究所（Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）Stéphane Hacquard团队的最新相关研究成果，题为A microbiota–root–shoot circuit favours Arabidopsis growth over defence under suboptimal light的研究论文。

为了解决这个问题，该研究进行了控制地上光照和地下微生物条件的实验。通过比较在没有根部微生物（即无菌）的情况下生长的拟南芥与由183个细菌、24个真菌和7个卵菌组成的复杂群落定殖的拟南芥的生长情况，研究人员观察到，微生物的存在拯救了在低光照条件下观察到的植物生长缺陷。叶片病原菌的接种实验进一步表明，与无菌对照植物相比，被微生物定殖的植物对地上叶际病原菌的抵抗力也更强，这表明根部微生物的存在可以促进植物在弱光下的生长和防御。

通过比较两种光照条件下植物的生长和防御反应，观察到在低光照条件下对生长的促进是以防御为代价的，因为微生物诱导的防御反应减少，植物在低光照下更容易受到叶片病原菌的影响。基于这一观察，科研人员随后假设，当光照条件不理想时，植物偏爱微生物诱导的生长而不是微生物诱导的防御反应。为了验证这一假设，科研人员筛选了不同的拟南芥突变株，以确定那些在低光照下不能投入生长的突变株。与他们的假设相一致的是，所确定的突变株在抵抗叶片病原菌方面反而更好。此外，结果发现，宿主转录因子MYC2的存在对于在低光照条件下使平衡倾向于微生物群落诱导的生长而不是微生物群落诱导的防御至关重要。随后，科研人员继续探究地下微生物群落的构成是否可以解释在弱光下以防御为代价的地上生长成本。为了做到这一点，他们分析了不同拟南芥突变株的根部微生物群落的组成，并观察到细菌群落的组成明显不同，这取决于不同植物是否在低光下偏向于生长。这个实验鉴定了67个细菌菌株，这些菌株被预测为与低光照下的植物生长挽救有关。为了测试潜在的因果关系，科研人员准备了三种不同的细菌群落，由以下两种组成：（1）所有的183个菌株，（2）缺少67个菌株的183个菌株，这些菌株被预测为对生长挽救很重要，或者（3）只有67个菌株。值得注意的是，用67个成员的群落定殖的野生型拟南芥在弱光下投入生长，而那些被缺乏这些细菌菌株的群落定殖的植物则没有，反而有利于更好地抵抗病原菌的叶片感染。

图 1：LP和EODFR下BFO介导的叶片生长调控

图 2：LP介导的根微生物群落组装调控

图 3：光和BFO介导的根和茎中的转录重编程

图 4：LP中BFO诱导的植物生长促进需要多种宿主途径

图 5：B群落组成与BFO诱导的LP防御增长之间的联系

图 6：LP中BFO诱导生长的MYC2依赖性优先级高于防御

图 7：NC和LP之间根部微生物群落诱导的生长-防御权衡模型

该研究的结果表明，植物的生长和防御反应根据地上光照条件与根部微生物群落进行了不同的反馈循环。光照诱导的根系分泌物的变化很可能是一种重要的机制，它刺激了特定的根部有益共生细菌的生长，从而促进了植物的生长，而在低光照下的防御反应则受到了影响。这些发现对于利用地下微生物来促进植物的地上胁迫反应至关重要。通过应用本研究获得的知识，现在可以想象设计具有模块化功能的合成微生物群落，可以用来促进植物对特定生物或非生物胁迫的抵御，并最终促进自然界的植物健康。

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