PNAS | 研究揭示植物免疫系统和常驻细菌联手保护植物免受真菌侵害！

在自然界中，健康植物的根部被复杂的细菌和丝状真核生物（即真菌和卵菌）微生物群落定殖，其组成对植物健康产生深远的影响。保持根部的微生物平衡对于植物保持健康非常重要，然而，植物实现这一点的方式仍然在很大程度上未知。

电子显微镜图像显示细菌定殖于根部定殖真菌的菌丝

2021年12月2日，国际权威学术期刊PNAS发表德国马克斯普朗克植物育种所（Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）Stéphane Hacquard （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！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！）团队的最新相关研究成果，题为Tryptophan metabolism and bacterial commensals prevent fungal dysbiosis in Arabidopsis roots的研究论文。该研究阐明了维持植物根系之间有益关系所需的宿主和微生物因素以及它们多样化的微生物伙伴。

为了解决这个研究问题，科研人员使用了一个复杂的微生物群落，该群落包含183种细菌 (B)、25 种真菌 (F) 和6 种卵菌 (O)，它们从健康的拟南芥根中分离出来。结果发现，与无菌对照植物相比，这种复杂的BFO群落有利于植物生长。随后，科研人员假设植物先天免疫系统的特定成分失活会导致根部微生物平衡发生改变，从而影响植物健康。与这一假设一致，有益的BFO群落在一些免疫功能低下的突变植物中不再有益。特别是，涉及色氨酸衍生的抗菌物质的两个植物宿主基因的失活足以将有益的BFO群落转变为对植物生长产生负面影响的有害群落。科研人员检测了这些免疫功能低下植物根部是否存在异常微生物特征，发现可以解释植物间生长差异的主要因素是根部的真菌。这一观察得出的结论是，在缺乏完整免疫系统的情况下，在植物根部观察到的真菌可能是解释从健康状态转变为不健康状态的主要原因。

为了进一步探索植物根部微生物群落中真菌的存在是否确实是植物中观察到的病害的直接原因，本研究分别使用各种组合（BO、FO、BF、BFO）并观察到真菌的存在确实是诱发植物不健康状态所必需的。这些结果表明，在色氨酸代谢过程中，宿主植物产生专门的抗真菌分子是维持植物根部真菌健康平衡的关键。有趣的是，即使在完全完整的免疫系统存在的情况下，这些抗真菌分子似乎也不足以在没有细菌的情况下完全保护植物免受真菌侵害。

本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。

简化模型说明宿主色氨酸代谢和细菌共生体的存在都需要保护植物免受丝状真核生物的广泛定殖

这些发现对于促进植物健康和将潜在有害的真菌转化为有益的分离株具有重要的应用价值。通过应用在这项研究中获得的知识，现在可以想象设计混合的细菌 - 真菌合成群落，这些群落有望为宿主提供巨大的健康益处。

图1. 先天免疫与BFO介导的植物生长促进之间的联系

图2. 免疫功能低下突变体根系微生物群组成的微妙变化

图3. 根部真菌解释了BFO介导的植物生长表型

图4. Trp代谢和细菌共生体防止根部真菌失调

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