宿主和常驻细菌联合起来控制植物根部的真菌

【字体: 时间:2021年12月06日 来源:Proceedings of the National Academy of Sciences

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  马克斯·普朗克植物育种研究所(MPIPZ)的研究人员发现,多种扎根真菌对植物有益,但只有当它们受到宿主先天免疫系统和扎根于根部的细菌的抑制时。

  
   

Healthy plant roots are colonized by complex microbial communities of bacteria and fungi    

图片:图1。电子显微镜图像显示细菌定植菌丝的根定植真菌。

图片来源:F. Getzke和R. Franzen在科隆mppipz公司拍摄

在自然界中,健康植物的根被细菌和丝状真核生物(如真菌和卵菌,图1)等复杂的微生物群落所定植,这些微生物群落的组成对植物的健康有着深远的影响。维持根内微生物的平衡对于植物保持健康是非常重要的,然而,植物是如何达到这一平衡的,我们在很大程度上还不知道。现在,在《美国国家科学院院刊》上发表的一项新研究中,Stéphane Hacquard和他来自德国科隆MPIPZ植物-微生物相互作用部门的同事们阐明了宿主和微生物因素,它们是维持植物根系和它们的多种微生物伙伴之间的有益关系所必需的。

为了解决这个研究问题,该研究的第一作者Katarzyna W. Wolinska使用了一个复杂的微生物群落,其中包括183种细菌(B)、25种真菌(F)和6种卵菌(O),这些微生物都是从健康的拟南芥(Thale Cress)植物的根中分离出来的。她观察到,与生长在没有微生物的无菌对照植物相比,这种复杂的BFO群落有利于植物的生长。这组作者接着假设,植物固有免疫系统(负责应对病原体感染的系统)的特定成分失活,会导致根部微生物平衡的改变,从而影响植物的健康。与这一假设一致的是,在一些免疫抑制突变株中,有益的BFO群落不再有益。特别是,两个与色氨酸衍生的特化抗菌剂有关的植物宿主基因的失活足以将有益的BFO群落变成有害的群落,对植物的生产性能产生负面影响。随后,科学家们检查了这些免疫抑制植物根系中存在的异常微生物特征,发现可以解释植物之间生长差异的主要因素是根系中的真菌负荷。这一观察结果得出结论,在缺乏完整免疫系统的情况下,植物根部观察到的真菌负担可能是解释从健康状态转变为不健康状态的主要原因。

为了进一步探究植物根系微生物群落中真菌的存在是否确实是植物中观察到的疾病的直接原因,K. W. Wolinska分别使用B、F和O群落或以不同组合(BO、FO、BF、并观察到真菌的存在确实是必要的,以诱导植物的不健康状态。这些结果表明,宿主植物在色氨酸代谢过程中产生的特异性抗真菌分子是维持植物根系真菌平衡的关键。有趣的是,在没有细菌的情况下,这些抗真菌分子似乎不足以充分保护植物免受真菌的侵袭,即使存在一个完全完整的免疫系统。

该研究的负责人Stéphane Hacquard说:“我们的结果说明了宿主编码功能和细菌编码功能如何协同作用,以维持拟南芥根部的真菌,从而促进植物健康,维持多王国微生物群落的生长促进活动。观察到,在控制真菌方面,细菌群落的保护活性与宿主先天免疫分支一样重要,其中涉及色氨酸衍生的专门代谢物。这表明植物的免疫系统不足以充分保护植物免受真菌负担,而寄生在根部的细菌伴侣提供了额外的保护层,这是植物生存所需要的”。

这些发现对于促进植物健康和将潜在的有害真菌转化为有益的分离物具有重要的应用价值。通过应用在这项研究中获得的知识,现在有可能设计出混合的细菌-真菌合成群落,预计将为宿主提供巨大的适应性效益。

文章标题

Tryptophan metabolism and bacterial commensals prevent fungal dysbiosis in roots


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