當植物及其微生物不同步時,結果可能是災難性的
健康的野生型擬南芥植物(左)和患有微生物失衡的突變植物(右)。
何勝揚, CC BY-SA

我們許多人都聽說過 炎症性腸病,這是一種與人體腸道中的微生物異常收集有關的衰弱性疾病-稱為腸道微生物組。 我的實驗室 最近發現,植物也像人類一樣,也可能發展為這種病,稱為營養不良,並帶來嚴重後果。

作為...的一部分 本研究,我和我的同事發現,某些與控制植物失調有關的基因和過程可能與人類相似。 在植物界發現營養不良,為刺激植物健康和全球糧食安全的創新提供了新的可能性。

我是植物微生物學家 對植物和微生物如何相互作用感興趣。 儘管我們過去的研究集中在 致病性感染的分子細節,這項工作使我的實驗室進入了迷人的植物微生物組世界。

植物有微生物群落嗎?

當科學家們說人類的“腸道細菌”應該保持良好的平衡時,他們指的是人類消化系統中所有微生物或腸道微生物組的遺傳物質。 植物也有微生物群落嗎? 答案是肯定的。


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實際上,植物在地面上方生長的部分稱為葉際圈,而在下方生長的這些部分稱為根際圈,是地球上微生物繁殖的最大棲息地之一。 兩者對地球上的人類生命至關重要。

葉圈吸收二氧化碳以進行光合作用,這是建立生物量所必需的,並且是食物,燃料,纖維和藥物的主要來源。 光合作用還釋放氧氣,使動物和人類呼吸,這就是為什麼植物通常被視為地球的肺部的原因。 另一方面,根際吸收土壤中的水和養分。

眾多的研究 研究表明,植物微生物可以幫助植物從土壤中提取營養,並應對乾旱,病原體,昆蟲和其他壓力。

生態學 他們還指出,生活在植物葉片上的微生物多樣性越大,植物的生產力似乎就越高。

如今,大多數植物科學家認為,確保作物生產力和糧食安全的全球戰略必須考慮植物的微生物組。 聯合國糧食及農業組織估計 高達40%的糧食作物 每年由於植物病蟲害而造成的損失,聯合國大會宣布2020年為國際植物健康年。

一些微生物與葉子和枝條相關,而另一種獨特的微生物則生活在根部。一些微生物與葉子和枝條相關,而另一種獨特的微生物則生活在根部。 何勝揚, CC BY-SA

植物如何保持微生物群健康?

鑑於微生物群(生活在植物上或植物附近的特定微生物群落)對於植物健康的重要性,我們認為植物必須進化出複雜的遺傳網絡才能選擇正確的微生物混合物。

如果這是真的,那麼了解哪些植物基因會影響植物周圍的微生物類型可以指導未來的研究,以優化植物微生物群,從而幫助植物更好,更強壯地生長並產生更多的生物量和產量。

的確,我的小組現在已經在模型植物中鑑定了其中一些“微生物控制”基因 擬南芥(Arabidopsis thaliana).

我們發現了幾個基因 參與植物免疫力和水分平衡的過程對於選擇和維持健康的微生物群至關重要 擬南芥 植物的葉子。

當我們從植物中去除這些鑑定出的基因時, 擬南芥 植物突變體無法容納正確的微生物混合物,並顯示出營養不良的症狀,包括枯死或發黃的葉子。 據我們所知,這是 第一次有因果關係的不良影響被有據可查 在植物界。

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“病態”植物的有趣特徵

我和我的同事在我們的突變體中觀察到一些明顯的營養不良特徵 擬南芥 植物。

首先,營養不良突變體傾向於在葉片內部生活著異常高水平的微生物。

健康的擬南芥植物的葉子(左)和營養不良突變植物的葉子(右)。 (當植物及其微生物不同步時,結果可能是災難性的)健康的擬南芥植物的葉子(左)和營養不良突變植物的葉子(右)。 何勝揚, CC BY-SA

其次,微生物多樣性發生了巨大變化。 例如,在正常情況下 擬南芥 在植物的葉子中,葉子內部生活著各種各樣的細菌。 相比之下,在dysbiotic突變體中,細菌的總體多樣性大大降低,這表明健康的植物促進了微生物多樣性,大概是在增加對植物健康的益處。

第三,屬於門的細菌 鐵mic 野生型內豐富 擬南芥 葉片中,我們的遺傳突變體中的豐度顯著降低。 此外,我們發現,在病菌突變葉片中有害細菌的數量急劇增加。 我們發現有趣的是,在人類炎症性腸病患者中也觀察到了其中的一些微生物群變化,這提示了人類和植物中生物合成病發展的概念上的相似之處。

下一步是什麼?

我們很高興能鑑定出幾種與防止營養不良有關的植物基因和過程。 我們在中鑑定的微生物控制基因 擬南芥 在許多其他植物的基因組中也發現了這種蛋白,這表明我們的發現可能具有廣泛的適用性。

將來,我們可以嘗試改變這些宿主基因,這可能會導致基於微生物群的方法改善植物健康。 例如,基因編輯技術可用於通過增強特定基因的表達在植物葉片中創建健康的生物群落。 可以將合成的健康微生物組配製成益生菌,以預防植物中的營養不良。 益生菌有望改善人體腸道微生物組的健康.

值得注意的是,與人的免疫系統相關的基因突變是眾所周知的 炎症性腸病發展的危險因素 在人類中。 也許,未來的研究將發現植物和人類如何與各自的微生物群落相互作用以預防疾病,具有更多共同的特徵。

諸如擬南芥(Arabidopsis)之類的植物中易於進行基因研究,也使研究人員能夠鑑定出更多與人類和植物中微生物群落健康有關的基因。

談話

關於作者

何勝陽,大學傑出教授,HHMI研究者, 密歇根州立大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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