Molecular Plant：微生物跨界平衡维持植物健康

微生物跨界平衡维持植物健康

Contribution of Microbial Inter-kingdom Balance to Plant Health

2018年11月《Cell》杂志发表了关于植物微生物跨界互作促进拟南芥生存研究的最新成果，题为”Microbial interkingdom interactions in roots promote Arabidopsis survival”。该成果首次在微生物群落水平阐明了细菌对真菌和卵菌的抑制作用可促进植物的生长，为植物抗真菌、卵菌的生防细菌开发奠定了重要理论基础。

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对于这一重镑成果，《Molecular Plant》杂志邀请山东大学丁兆军教授和中国科学院遗传与发育生物学研究所白洋研究员对此文进行专题评述。

正文

土生真菌、卵菌病原菌每都会造成大量的农业损失。健康植物根相关的细菌可以影响根部丝状真核微生物的丰度和多样性，从而保护宿主免受真菌和卵菌导致的疾病。这是来自马普植物育种研究所的Duran和他的同事所发表的研究中得出的主要结论。作者通过宏基因组和培养的方法系统的总结了健康植物根部微生物跨界互作的重要性。

植物的根与大量的微生物互作，包括来自土壤环境的细菌、真菌、卵菌，这是植物微生物组的主要资源库。植物根际是一片狭窄的临近根部的土壤区域，每克土壤中包含10¹¹个微生物细胞。其中的一些微生物对植物有很大的益处，例如促进植物生长的细菌(plant-growth-promoting rhizobacteria, PGPR)和真菌（plant-growth-promoting-fungi, PGPF）。例如，豆科植物共生的根瘤菌固定空气中的氮，内生菌和菌根真菌加速了宿主植物的磷获取。然而，在许多情形下，真菌、卵菌经常导致严重的植物疾病。鉴于定居在植物根部的微生物多样性，微生物-微生物的动态互作逐渐得到人们的关注，但是人们对这些微生物在群落水平如何互作以及对于植物健康的影响依然知之甚少。

为了解决这些问题，Duran和他的同事研究了欧洲三个相距较远地点的健康拟南芥的根部微生物，通过同时描述根部相关的细菌、真菌、卵菌群落。他们发现地理上相距较远的拟南芥群体具有物种上相似的根部相关的细菌群落，但是具有不相似的位点特异的根部真菌和卵菌微生物，表明根部细菌群落的潜在保守性状。此外，他们发现细菌和真核丝状微生物之间的负相关性，表明植物根部存在细菌和丝状真核生物之间的跨界竞争。

为了研究细菌、真菌和卵菌的互作以及他们对植物健康的影响，Duran和他的同事通过建立细菌、真菌和卵菌的菌种资源库，为根部微生物在实验室条件下的多界重组实验提供了机会。他们在无菌的拟南芥上接种了不同的细菌、真菌以便研究这些微生物组合在植物生长上的作用。显然，在真菌和卵菌存在时，植物的生长被严重的伤害，但是这种生长抑制现象能够被合成的细菌群落充分挽救。（图1）进一步，异位杂交和植物体内实验表明一些物种分类较远的单个细菌能够充分保护拟南芥免受真菌和卵菌的伤害，表明系统发育不紧密相关的根部细菌的生物防治活性是一个冗余性状。

图1 根部细菌共生物保护植物免受土生丝状真核生物的侵害

细菌有效地抑制真菌和卵菌，使植物健康生长，而真菌和卵菌在没有细菌的情况下引起严重疾病。

这些结果表明根部细菌微生物能够补充植物的先天免疫系统，并在植物能够在天然土壤中生存中起重要作用。尽管植物进化出复杂的先天免疫系统，包括病原相关分子模式(Pathogen Associated Molecular Pattern，PAMP)诱导的免疫和效应物诱导的免疫防治病原菌，但丝状真核微生物在天然条件下仍然能够侵染植物。具有生物防治活性的根部细菌能够形成植物优于免疫系统的的第一层屏障。鉴于陆生植物与微生物的互作已经有450百万年历史，尝试推断植物具有适应天然环境的优点，可能进化出选择具有生物防治活性的细菌抵抗丝状真菌以避免免疫响应导致的生长迟滞以及能量浪费。这些细菌可能会被植物根系代谢物所吸引以及调节。

这项工作展现出宏基因组技术的强大力量，通过对天然样本测序并在实验室条件下验证相应的结果以解析复杂的自然农艺性状。带来了前所未有的挑战和机会，以研究细菌、丝状真核微生物、植物宿主之间复杂的互作，以解析微生物跨界互作的平衡如何影响宿主适应性。进一步，随着现代微生物组描绘的方法，基于相对丰度而忽略微生物相对植物宿主的负荷，它唤起了开发新的定量方法的的需求，以准确测量植物根部细菌、真菌的绝对丰度。最终，对有助于植物保护功能的细菌基因和分子进行分类并定义宿主调节微生物组装的的分子成分仍然是重要的。所有这些将会帮助我们理解植物如何选择性地整合环境微生物以在自然环境中生存。

Reference

Zhang, C., Zhang, Y., Ding, Z. & Bai, Y. Contribution of Microbial Inter-kingdom Balance to Plant Health. Mol Plant 12, 148-149, doi:10.1016/j.molp.2019.01.016 (2019).

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S167420521930022X?via%3Dihub

通讯作者简介

丁兆军, 博士生导师，山东大学 “齐鲁学者”特聘教授、国家第二批 “青年千人计划” 获得者，国家第一批“优秀青年科学基金”获得者，山东省“杰出青年科学基金获得者”； 中国细胞学会理事，中国植物学会工作委员会委员，山东植物学会常务理事，山东植物生理学会常务理事；植物学报, Frontier in Plant Science 等杂志编委。近5年来，先后在Cell Reports, EMBO Reports, PLOS Genetics， Plant cell, Trends in Biotechnology , Trends in Plant Science, EMBO Journal, Nature Communications, Development, Plant Physiology, Plant Journal, Molecular Plant,等国际主流期刊发表近40篇学术论文。

详见：http://www.lifesci.sdu.edu.cn/info/1062/1658.htm

白洋，博士，研究员，博士生导师

2005年毕业于武汉大学，2007年获得武汉大学植物发育生物学硕士学位，2010年在德国科隆大学获得植物发育生物学博士学位，2011—2015年博士后期间在德国马克斯普朗克植物育种研究所进行植物根系微生物组学的研究。2016年 5月至今，任中科院遗传与发育生物学所研究员，也是中国科学院-英国约翰英纳斯中心植物和微生物科学联合研究中心(CEPAMS)首位研究员。2017年入选中组部“青年千人计划”。目前主要研究根系微生物组在植物抗病抗逆、营养高效等过程中的功能。在Nature、GigaScience、Science China Life Sciences等杂志发表论文10余篇。

CEPAMS官页白洋老师采访视频

https://v.qq.com/x/page/x0842fhrc5c.html

详细介绍见：http://sourcedb.genetics.cas.cn/zw/zjrck/201603/t20160314_4549299.html

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