德国马克斯-普朗克植物育种所年度重磅合集：植物微生物组！

建立具有健康植物的相关微生物群落，称为植物微生物组。揭示这些微生物群落对植物生长和健康的分子功能在有益微生物发现计划中具有优先权。这包括以微生物为媒介从土壤中调动养分促进植物生长，以及通过微生物-微生物的相互作用间接抗病。试图了解植物如何利用微生物组来适应不利的环境，这是确定植物-微生物生态学分子原理的关键。

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！）Paul Schulze-Lefert（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！）领导的植物微生物相互作用部门长期致力于开发一个综合的分子概念，可以解释植物如何同时管理病原微生物和有益微生物，以确保植物的生存和最大限度地提高植物的健康。该团队正在追求一种综合方法，将遗传学、分子生物学和生物化学与计算机科学联系起来，提供关于如何修改植物免疫系统和植物微生物组的见解，以利用分子育种技术提高植物保护和植物生产力。

该合集包含了该团队2021年发表的植物微生物组研究论文和综述，涵盖了植物微生物组研究的最新代表性进展，解决了需要解决的关键知识差距，如更好地了解植物相关微生物群落的组装、它们的动态、代谢互动或功能特性。

Paul Schulze-Lefert团队的研究结果表明，为了实现植物生长和植物防御之间的健康平衡，从而维持微生物-植物平衡，植物根部微生物群需要以平衡的比例包含免疫抑制性和非抑制性细菌菌株。植物微生物群中任何一种细菌数量过多或不足都可能对植物不利，因为它可能导致病害易感性增加和植物生长不良。尽管人们知道植物与它们的微生物群有着密切的联系，但令人惊讶的是，我们仍然没有充分了解它们对植物免疫系统的影响。这项研究是一个很好的例子，说明平衡的微生物群对于调节植物的相关性状是很重要的。从转化的角度来看，如果人们能够以这样的方式操纵微生物群，使其达到平衡，以利于植物的生长，那么这些发现就有了应用的潜力。

Paul Schulze-Lefert团队和丹麦奥胡斯大学Simona Radutoiu团队的研究结果发现，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。

中国科学院遗传与发育生物学研究所白洋团队和Paul Schulze-Lefert团队建立了一个简单明了的方案，即使用有限稀释度从新鲜的根部样品中分离高通量细菌，以确保大多数培养的细菌仅起源于一种微生物。然后使用双面条形码聚合酶链反应系统对菌株进行鉴定，以鉴定纯净的和异质的细菌培养物。科研人员的方法克服了传统细菌分离和鉴定方法的多重困难，例如获得具有不同生长速率的细菌，同时大大提高了通量。为了方便数据处理，科研人员开发了一种易于使用的生物信息方法流程，称为“Culturome”和图形用户界面Web服务器。该方法允许任何研究小组（没有生物信息学专业知识的两个或三个实验室成员）在8-9周内系统地培养与根部相关的细菌。

Stéphane Hacquard团队的结果表明，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。

Stéphane Hacquard团队的研究结果说明了宿主和细菌编码的功能如何协同作用以维持拟南芥根部的真菌，从而促进植物健康并维持多界微生物群落的生长活动。观察到细菌群落的保护活性与宿主先天免疫分支一样重要，涉及色氨酸衍生的代谢物以控制真菌。这表明植物免疫系统不足以完全保护植物免受真菌侵染，而位于根部的细菌伙伴提供了额外的保护层，这是植物生存所必需的。

拟南芥的根部承载着影响植物健康和疾病状态的各种真菌群落。Stéphane Hacquard团队和法国INRAE中心Francis Martin团队对代表拟南芥根部真菌生物群落的41个真菌分离株的基因组进行了测序，以便与其他79个植物相关的真菌进行比较分析。分析表明，根部真菌群落从具有不同生活方式的祖先进化而来，并保留了大量的植物细胞壁降解酶（PCWDEs）和类似效应蛋白的小型分泌蛋白的集合。科研人员确定了一套与内生菌有关的84个基因家族，包括编码作用于木聚糖和纤维素的PCWDEs基因。编码这些酶的转录物也是一个保守的转录程序的一部分，该程序由系统发育遥远的菌群成员在接触宿主时激活。用单个真菌进行的再定殖实验表明，与宿主单体结合时具有有害作用的菌株比具有有益活动的菌株更积极地在定殖根部，并在天然根部样本中占主导地位。此外，结果表明，果胶降解酶家族PL1_7将内生菌定殖的侵略性与植物健康联系起来。

利用最近从还原论和群落级方法中获得的例子，Stéphane Hacquard团队讨论了对地上生物和非生物胁迫的感知在多大程度上可以沿着茎-根轴级联，以塑造根部微生物群落的组装，并调节根部共生体的生长，从而促进地上胁迫耐受性。本文提出，宿主对微生物群落-根-茎回路的调控有助于植物的表型可塑性和决策，从而促进对快速变化的环境条件的适应。

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