当植物及其微生物不同步时,结果可能是灾难性的

当植物及其微生物不同步时,结果可能是灾难性的
健康的野生型拟南芥植物(左)和患有微生物失衡的突变植物(右)。
何胜扬, 创用CC BY-SA

我们很多人都听说过 炎症性肠病,这是一种与人体肠道中的微生物异常收集有关的衰弱性疾病-称为肠道微生物组。 我的实验室 最近发现,植物也像人类一样,也可能发展为这种病,称为营养不良,并带来严重后果。

作为...的一部分 本研究,我和我的同事发现,某些与控制植物失调有关的基因和过程可能与人类相似。 在植物界发现营养不良,为刺激植物健康和全球粮食安全的创新提供了新的可能性。

我是植物微生物学家 对植物和微生物如何相互作用感兴趣。 尽管我们过去的研究集中在 致病性感染的分子细节,这项工作使我的实验室进入了迷人的植物微生物组世界。

植物有微生物群落吗?

当科学家们说人类的“肠道细菌”应该保持良好的平衡时,他们指的是人类消化系统中所有微生物或肠道微生物组的遗传物质。 植物也有微生物群落吗? 答案是肯定的。

实际上,植物在地面上方生长的部分称为叶际圈,而在下方生长的那些部分称为根际圈,是地球上微生物繁殖的最大栖息地之一。 两者对地球上的人类生命至关重要。

叶层吸收二氧化碳以进行光合作用,这是建立生物量所必需的,并且是食物,燃料,纤维和药物的主要来源。 光合作用还释放氧气,使动物和人类呼吸,这就是为什么植物通常被视为地球的肺部的原因。 另一方面,根际吸收土壤中的水和养分。

众多的研究 研究表明,植物微生物可以帮助植物从土壤中提取营养,并应对干旱,病原体,昆虫和其他压力。

生态学 他们还指出,生活在植物叶片上的微生物多样性越大,植物的生产力似乎就越高。

如今,大多数植物科学家认为,确保作物生产力和粮食安全的全球战略必须考虑植物的微生物组。 联合国粮食及农业组织估计 高达40%的粮食作物 每年由于植物病虫害而造成的损失,联合国大会宣布2020年为国际植物健康年。


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一些微生物与叶子和枝条相关,而另一种独特的微生物则生活在根部。一些微生物与叶子和枝条相关,而另一种独特的微生物则生活在根部。 何胜扬, 创用CC BY-SA

植物如何保持微生物群健康?

鉴于微生物群(生活在植物上或植物附近的特定微生物群落)对于植物健康的重要性,我们认为植物必须进化出复杂的遗传网络才能选择正确的微生物混合物。

如果这是真的,那么了解哪些植物基因会影响植物周围的微生物类型可以指导未来的研究,以优化植物微生物群,以帮助植物更好,更强壮地生长并产生更多的生物量和产量。

的确,我的小组现在已经在模型植物中鉴定了其中一些“微生物控制”基因 拟南芥(Arabidopsis thaliana).

我们发现了几个基因 参与植物免疫力和水分平衡的过程对于选择和维持健康的微生物群至关重要 拟南芥 植物的叶子。

当我们从植物中去除这些鉴定出的基因时, 拟南芥 植物突变体无法容纳正确的微生物混合物,并显示出营养不良的症状,包括枯死或发黄的叶子。 据我们所知,这是 第一次有因果关系的不良影响被有据可查 在植物界。

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“病态”植物的有趣特征

我和我的同事在我们的突变体中观察到一些明显的营养不良特征 拟南芥 植物。

首先,营养不良的突变体往往具有异常高水平的生活在叶片内部的微生物。

来自健康拟南芥植物的叶子(左)和来自病态突变体植物的叶子(右)。 (当植物及其微生物不同步时,结果可能是灾难性的)来自健康拟南芥植物的叶子(左)和来自病态突变体植物的叶子(右)。 何胜扬, 创用CC BY-SA

其次,微生物多样性发生了巨大变化。 例如,在正常情况下 拟南芥 在植物的叶子中,叶子内部生活着各种各样的细菌。 相比之下,在dysbiotic突变体中,细菌的总体多样性大大降低,这表明健康的植物促进了微生物的多样性,大概是增加了对植物健康的益处。

第三,属于门的细菌 铁mic 野生型内丰富 拟南芥 叶,我们的遗传突变体中的丰度显着降低。 此外,我们发现,在病菌突变叶片中有害细菌的数量急剧增加。 我们发现有趣的是,在人类炎症性肠病患者中也观察到了其中的某些微生物群变化,这提示了人类和植物中生物合成病发展的概念上的相似之处。

下一步是什么?

我们很高兴能鉴定出几种与防止营养不良有关的植物基因和过程。 我们在中鉴定的微生物控制基因 拟南芥 在许多其他植物的基因组中也发现了这种蛋白,这表明我们的发现可能具有广泛的适用性。

将来,我们可以尝试改变这些宿主基因,这可能会导致基于微生物群的方法改善植物健康。 例如,基因编辑技术可用于通过增强特定基因的表达在植物叶片中创建健康的生物群落。 可以将合成的健康微生物组配制成益生菌,以预防植物中的营养不良。 益生菌有望改善人体肠道微生物组健康.

值得注意的是,与人的免疫系统相关的基因突变是众所周知的 炎症性肠病发展的危险因素 在人类中。 也许,未来的研究将发现植物和人类如何与各自的微生物群落相互作用以预防疾病,具有更多共同的特征。

诸如拟南芥(Arabidopsis)之类的植物中易于进行基因研究,也使研究人员能够鉴定出更多与人类和植物中微生物群落健康有关的基因。

谈话

关于作者

何胜阳,大学杰出教授,HHMI研究者, 密歇根州立大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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