植物通过控制叶片内部的微生物群落多样性来促进健康

在一项发表在《自然》(Nature)杂志上的新研究中,密歇根州立大学(Michigan State University)的科学家们展示了植物基因如何选择哪些微生物能够在它们的叶子里生存,以保持健康。

这是首次研究表明,植物健康和微生物群落在叶圈内的聚集之间存在因果关系。植物的全部地上部分。这项研究表明,从植物到动物的有机体可能都有类似的策略来控制它们的微生物群落。

微生物组研究是人类健康科学研究的热点。当科学家们提到人类肠道细菌时,它们指的是肠道微生物群落,即生活在人类消化系统中的所有微生物的遗传物质。

大型植物微生物群落研究领域仅有十几年的历史,但在国内外的研究中已取得了很大的进展。该研究的主要作者之一、密歇根州立大学-美国能源部植物研究实验室成员、霍华德·休斯医学研究所研究员何盛阳说。我们想知道植物是否需要一个适当组装的叶球菌群。

植物基因:微生物的守门人

在自然界中,植物受到无数微生物的轰击。他是密西根州立大学(MSU)自然科学学院(College of Natural Science)植物生物学系和微生物及分子遗传学学系的联合教授。如果一切都允许在植物里生长,那可能会是一片混乱。我们想知道微生物的数量和种类是否重要,是否有一个完美的微生物组成。如果是这样,植物是否有一个遗传系统来寄主和培育合适的微生物群系?

植物似乎可以。新发现的机制涉及两个遗传网络。一种涉及植物的免疫系统,另一种控制叶子内部的水合水平。这两个网络协同工作来选择哪些微生物能在植物叶子内存活。

当我们从植物中去除这两个网络时,叶子内部的微生物组组成发生了变化。他说。细菌种类的数量和组合是不正常的,我们的研究小组发现了植物组织损伤的症状。

这些症状在概念上与人类炎症性肠病相似。他说。从进化的角度来看,这可能是因为所涉及的基因是古老的。这些基因在大多数植物中都有发现,有些甚至与动物免疫有关的基因有相似之处。“价格;

根据He实验室的科学家的说法,这可能是第一次在植物王国里正式描述与生物失调相关的疾病。事实上,它在概念上与人类健康相似,暗示了生命中一个基本的过程。

开发新技术以确定因果关系

在微生物组研究中很难找到因果关系的原因是,实际上不可能从无数微生物的噪音中分辨出来。

为了解决这个问题,该实验室开发了一个无菌生长室,他们称之为“灵知系统”。一种微生物已知或不存在的环境。

很少有人用无菌的、富含有机物的材料来种植无菌植物。他说。我们的系统使用一种类似于土壤的泥炭基质,基本上就是温室盆栽土壤。我们用热和压力来杀死土壤里的所有细菌,植物就能在这种无菌的条件下生长。

然后,研究人员可以以可控的方式将微生物引入这种环境。

你可以添加一个,两个,甚至一个细菌群落。他说。在我们的研究中,我们从共生的或生病的植物中提取了一个细菌群落,并把它们引入我们健康的植物中,反之亦然。我们发现,植物的健康需要微生物组组成和植物遗传系统。

例如,遗传缺陷的植物不能利用从健康植物移植过来的微生物组。微生物群慢慢地恢复到引起疾病的状态。

另一方面,健康的植物暴露在患病植物的微生物群中也会受到影响。虽然它有选择合适微生物的遗传工具,但微生物的可利用性是有限的和异常的。工厂无法解决这个问题。

微生物水平和组成物质

结果表明,微生物群落多样性的增加与植物健康相关。不知何故,植物基因是促进这种多样性的看门人。

研究中生病的植物叶片中的微生物数量是健康植物的100倍。但人口的多样化程度较低。为了找出原因,科学家们进行了数千次一对一的细菌对峙,以找出哪些菌株具有侵略性。

在病株中,变形杆菌属菌株;其中许多对植物有害。健康微生物群落的组成比例从三分之二跃升至96%。许多可能对植物有益的费米菌在数量上减少了。

也许,当生病的植物体内的微生物群落数量异常增多时,微生物之间的距离就会变得非常近。他说。突然之间,他们为了资源而战,变得咄咄逼人。在这种情况下是有害的那些不幸的是赢了。健康的植物似乎能阻止这种收购的发生。

大局:支持植物健康

这项研究是多样性对支持健康生活系统的重要性的又一个例子。每种微生物对植物都有不同的益处,如增强免疫力、抗逆性或营养吸收。

像他这样的科学家希望能够操纵植物遗传系统来重新配置植物微生物群。植物可以更有效地选择它们的微生物伙伴,并提高植物的健康、恢复力和生产力。

我们的领域还很年轻,他说。微生物组的研究主要集中在人类肠道细菌上。但是更多的细菌生活在植物的叶子上,我们星球的肺里。如果能了解微生物在自然生态系统和农田中是如何影响叶圈健康的,那就太好了。

贡献了这项研究的贺建奎实验室的科学家包括前实验室成员辛秀芳、现任实验室成员陈涛和野村近也。这项研究由美国国立卫生研究院、霍华德·休斯医学研究所、密歇根州立大学植物弹性研究所、美国能源部科学办公室和中科院分子植物科学卓越中心/植物生理与生态研究所资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://msutoday.msu.edu/news/2020/plants-control-microbiome-diversity-inside-leaves-to-promote-health/

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