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中美科学研究机构联合发表植物叶际微生物群领域的新进展

来源: 中国日报网
2020-04-09 11:02 
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植物在整个生长过程中都与环境中细菌、真菌、卵菌等不同微生物互作;这些微生物有些是对植物有害的(如病原微生物,导致植物致病),有些是有益的(如根瘤菌可以和豆科植物根部共生,并将空气中的氮转化为植物可吸收的含氮化合物),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和丰富的微生物,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、丰度及群落结构可以极大地影响植物的正常生长以及对抗环境胁迫(如干旱、高温、病原物侵染等)。植物的地上部分(叶,果实,茎等)可统称为叶圈(phyllosphere),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。

2020年4月8日,国际顶级学术杂志Nature在线发表了题为”A plant genetic network for preventing dysbiosis in the phyllosphere(植物的一个遗传网络控制叶际微生物群的稳态)”的研究论文。这项工作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,对于人们认识植物对叶际微生物群的稳态维持机制及其与植物健康生长的关系做出了重要贡献。

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(不同细菌菌种所占比例发生变化和失调),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。

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植物的健康,而且该网络中的某些要素和调控方式与人类极为相似(例如,多个研究已发现人类肠道微生物群失调会导致多种疾病)。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。

该项工作得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)、能源部(Department of Energy)和中国科学院分子植物科学卓越创新中心等的经费支持。(中国日报上海分社)

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