Nature Microbiology | 马普育种所揭示植物根系微生物群落中共生细菌的宿主偏好性！

植物，包括水稻和小麦等作物，通过其根部获得必要的矿物质营养和水，使其成为植物和土壤环境之间的重要界面。陆生植物的根系与广泛的微生物（包括细菌）联系在一起，这些微生物是从周围的土壤中招募来的，并聚集成被称为根系微生物群落的结构化群落。这些微生物群落由植物宿主维持，宿主为它们提供营养，主要是以根系分泌的有机碳化合物的形式。反过来，这些共生细菌介导了对其植物宿主有益的多种过程，如提供对病原体的防御，改善土壤中的营养转运，并对生长产生积极影响（Nature | 年度重磅合集：植物微生物组！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！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）。

鉴于其对植物健康的重要性，对根系微生物群落的研究已经发展成为一个有前景的研究领域，旨在了解这些互动是如何发生的，并最终可以帮助提高作物植物的产量和抗逆性。尽管众所周知，植物通过其根系向土壤中分泌不同的小分子，这些小分子可以作为螯合剂，让一部分土栖细菌在根部定殖，但宿主进行的主动选择的程度以及根系相关的微生物群落对特定植物物种的适应程度在很大程度上仍然未知。

2021年7月26日，国际权威学术期刊Nature Microbiology发表了德国马克斯-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！）Paul Schulze-Lefert教授（近5年37篇高水平文章！Paul Schulze-Lefert院士团队在先天免疫和植物菌群领域取得重大进展！）团队和丹麦奥胡斯大学Simona Radutoiu（Science | 重磅研究揭示植物如何区分有益和有害微生物！）团队合作的最新相关研究成果，题为Host preference and invasiveness of commensal bacteria in the Lotus and Arabidopsis root microbiota的研究论文。该研究发现来自植物微生物群落的细菌适应于其宿主物种，并解释了植物根系相关的细菌在定殖于其本土宿主时如何具有竞争优势，这使得它们能够入侵已经建立的微生物群落。

作为这一探索的第一步，科研人员从模式豆科植物百脉根建立了一个全面的根源细菌群落，其中一小部分是为植物生长固定大气氮的共生细菌。与已经建立的来自模式十字花科植物拟南芥根部的菌株一起，合成微生物群落（SynComs）被设计用来探索不同植物物种的微生物群落。尽管两种植物的细菌群落相似，但科研人员观察到这些细菌明显倾向于在其本地宿主上定殖。这种偏好是由多个细菌物种在定殖于其原生宿主时，与那些最初从其他宿主中分离出来的细菌相比，表现出更高的竞争力而介导的。

引人注目的是，只有在群落背景下才能观察到宿主的偏好，即不同的微生物相互竞争，但当允许单个细菌物种在没有竞争的情况下定殖于植物根部时，则没有观察到。当与不同的合成群落相互作用时，对两种植物物种的基因表达的分析进一步表明，这一过程至少有一部分是由宿主驱动的。有趣的是，本地和非本地SynComs的根部定殖显示了一些众所周知的植物免疫调节因子的基因表达谱的反差。基于这一观察，科研人员推测本地菌株在通过形成物种特异性宿主生态位定殖于其相应宿主植物的根部时具有竞争优势。为了验证这一假设，科研人员进行了一系列复杂的实验，让来自不同宿主物种的SynComs入侵宿主和非宿主植物中已经建立的根系相关细菌群落。结果显示，本地的SynComs在入侵其宿主植物中已经建立的微生物群落时具有竞争优势，这表明共生细菌对其本地植物物种的适应性导致了入侵性和持久性的增加。

该研究结果惊奇地发现，本地和非本地SynComs的根部定殖导致植物根部不同的转录重编程，可能有助于本地共生细菌的特定生态位的形成。这些发现表明，不同的土栖细菌与特定的宿主植物相联系并偏爱它，类似于植物的病原体或有益共生体。这些发现可能对农业产生有意义的影响，因为它们强调了不同细菌之间竞争力的重要性以及宿主偏好对成功的根部定殖的影响。为特定作物量身定制的益生菌接种剂，具有增强的入侵和持续存在于常备微生物群落中的能力，可以帮助克服目前农业中使用的生物制剂的功效差异。

图 1：百脉根和拟南芥根相关细菌群落

图 2：百脉根和拟南芥根部微生物群落的全基因组系统发育

图 3：重建实验显示了共生群落对宿主偏好的特征

图 4：百脉根和拟南芥根中SynCom特定的转录输出

图 5：共生细菌的入侵和持续存在

图 6：宿主偏好与侵入性相关

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