中美科学研究机构联合发表植物叶际微生物群领域新进展

中美科学研究机构联合发表植物叶际微生物群领域新进展飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:郜阳   2020-04-09 09:55:19

中科院分子植物科学卓越创新中心供图(下同)

在植物整个生长过程中,会与环境中细菌、真菌、卵菌等不同微生物互作。这些微生物有些是对植物有益的,有些是有害的,而除此之外绝大多数微生物与植物共存,但它们对植物健康生长的作用并不清楚,这些微生物可统称为微生物群。

例如,植物根部接触的土壤中存在大量、丰富的微生物,被认为是植物不同组织的微生物群的主要来源。因为根部是植物的水分和营养吸收的关键器官以及很多病原微生物的入侵部位,目前已有很多对根际微生物群的研究,这些研究表明根际微生物群的种类、丰度及群落结构能极大地影响植物的正常生长以及对抗干旱、高温、病原物侵染等环境胁迫。植物的地上部分(叶,果实,茎等)可统称为叶圈,而这其中的叶片组织是植物进行光合作用和能量代谢的中心部位。与植物根部类似,植物叶片表面及内部同样存在大量不同性质的微生物。但相对于较多的根际微生物群研究,人们对植物如何控制叶际微生物群的平衡和稳态以及叶际微生物群的平衡如何影响植物健康生长并不清楚。

图说:植物叶片结构及叶际微生物群示意图

北京时间4月8日深夜,国际顶级学术杂志《自然》(Nature)在线发表了由美国密歇根州立大学何胜洋研究组、中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳研究组、华中农业大学植物科学技术学院副教授陈桃等合作完成的《植物的一个遗传网络控制叶际微生物群的稳态》研究成果。

该项工作以一种模式植物拟南芥为研究材料,发现了一个植物的遗传网络可以控制植物叶际微生物群落的稳态。这一网络包括了植物中的基础免疫通路和调控叶片水分环境等的重要基因元件,这些元件协同调节叶片内部的细菌群落的水平以及群落结构。当其中的某些元件缺失时,叶片中的细菌过量繁殖且群落结构发生变化,导致微生物群失衡,并且植物叶部出现类似病害的黄化和坏死表型。该项工作通过“人工合成微生物群”“无菌植物培养系统”以及细菌16S rRNA基因和基因组的高通量测序等多种研究手段,明确了植物叶际微生物群的平衡状态对维持植物健康生长非常重要。

图说:该项工作的模型图,显示突变体植物的叶际微生物群落结构发生改变并导致叶片发生类似病害的表型

此研究率先开启了植物科学新领域叶际微生物群失调与植物健康的关系。有意思的是,植物就像人类一样,已经进化出一个遗传网络来调控微生物菌群的稳态以维持自身健康,而且该网络中的某些要素和调控方式与人类极为相似。该工作发现的植物控制网络中的关键基因广泛存在于植物界中,也许不久的将来可以通过改造植物中的这些基因来调控微生物群的稳态或者优化微生物群,以改善植物的健康生长和抵抗胁迫环境的能力,从而提高重要作物的产量和改良自然生态系统,为人类生活服务。

新民晚报记者 郜阳

编辑:任天宝

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