Science：英国Castrillo组揭示微生物群与根内皮的协调支持植物营养平衡！

英国诺丁汉大学的植物科学家Gabriel Castrillo发现，植物在根部有一种由微生物支持的“密封”机制，这种机制对于植物摄取营养以维持生存和生长至关重要（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）。近日，Castrillo的团队已经证明，模式植物拟南芥中控制根部封闭的机制会影响栖息在根部的微生物群落的组成，而微生物反过来会维持该机制的功能（Nature Reviews Microbiology | 植物-微生物互作：从群落组装到植物健康）。植物微生物的这种协调在控制植物中矿质养分含量方面起着重要作用（Cell Host & Microbe | 重磅！Schulze-Lefert团队揭示根系分泌香豆素与微生物互作改善植物铁营养！）。该研究已由国际顶级学术期刊Science在线发表题为Coordination between microbiota and root endodermis supports plant mineral nutrient homeostasis的论文。美国北卡罗来纳大学教堂山分校的JefferyL. Dangl 教授（近5年50篇高水平文章！Jeff Dangl院士团队在植物微生物互作领域取得重大进展！）和英国诺丁汉大学DavidE. Salt教授为论文的共同作者。

在哺乳动物中，肠道中的专门扩散屏障与常驻微生物群协调控制营养物质的流动。尽管在植物根部存在类似的营养扩散调控机制，但迄今为止，微生物对其功能的贡献尚不清楚。这项研究首次展示了根部扩散屏障与根部定殖微生物之间的协调作用。它们结合起来控制植物中矿质养分的吸收，这对于正常生长和繁殖至关重要（Science | 重磅！剑桥大学Giles Oldroyd课题组阐述植物通过共生微生物促进养分吸收！）。理解这一点可以开发出更适应极端非生物条件的植物，并增强从大气中固存碳的能力（ISME | 以色列农业研究中心揭示二氧化碳和氮水平对植物根表微生物群落和功能的影响）。另外，可以开发出必需矿物质营养成分含量高并且具有排除有毒元素能力的植物。

所有生物都进化了结构，以维持稳定的矿物质营养状态。在植物的根部和动物的肠道中，这些结构由专门的细胞层组成，这些细胞层起着守门人的作用，控制水和重要营养物质的转移。为了执行此功能，至关重要的是将形成这些细胞层的细胞密封在一起。这些密封需要在当地微生物群落存在的情况下保持完整性。在动物中，已知栖息在肠道中的微生物会影响肠道密封，在某些情况下，这可能会引起疾病。

在根中，已经发现了两种主要的密封机制：将细胞密封在一起的凯氏带（Casparian Strips）和影响整个细胞质膜运输的木栓质沉积物。这项研究表明，多细胞生物中的这些密封机制是如何结合微生物功能来调节矿物质营养平衡的。

植物根部显示了在无菌条件下生长的植物根部(左)及其内皮中高量的木栓质(黄色)和接种了本研究中使用的细菌合成群落的植物根部(右)之间的差异。该合成群落可减少内皮栓质化。

粮食安全是一个紧迫的全球性问题。到2050年，作物产量必须增加一倍，才能跟上全球人口增长的步伐。鉴于气候变化对水供应的影响，以及减少肥料投入以使农业在环境上更具可持续性的推动力（“少肥多产”不是梦），这一目标更具挑战性。在这两种情况下，开发具有改善的水分和养分吸收效率的农作物都将提供一个解决方案，而这一发现可能会导致开发新的微生物方法来控制养分和水的扩散，为设计更具抗逆性的作物提供了新的机会，提供了新的饲喂策略以及通过固碳来利用二氧化碳的可能方法。

图1 具有改良根部扩散屏障的植物组合了一个独特的微生物群

图2 细菌菌株改变内皮层功能

图3 合成群落(SynCom)控制内皮层栓质化，增强植物对养分胁迫的适应性

图4 微生物组对栓质化的影响代表了一条未被描述的调控途径

Isai Salas-González, Guilhem Reyt, Paulina Flis, Valéria Custódio, David Gopaulchan, Niokhor Bakhoum, Tristan P. Dew, Kiran Suresh, Rochus Benni Franke, Jeffery L. Dangl, David E. Salt & Gabriel Castrillo. (2020). Coordination between microbiota and root endodermis supports plant mineral nutrient homeostasis. Science, eabd0695, doi: https://doi.org/10.1126/science.abd0695

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