植物靠遗传网络调控“叶圈”微生物

植物叶片上有大量不同性质的微生物。有益微生物和有害微生物与植物长期共存。植物如何控制地面上叶子、果实和茎干的“叶圈”中的微生物并保持它们的健康？相关机制仍不清楚。

4月8日，《自然》杂志在网上发表了一篇名为“植物遗传网络预防Dys叶界生物入侵”的研究论文，率先开辟了植物科学的一个新领域——植物区系失衡与植物健康之间的关系。

论文的结论表明，植物和人类一样，已经进化出一个基因网络来调节微生物菌群的稳定状态，以维持植物的健康。此外，这个网络中的一些元素和调节方法与人类非常相似。

华中农业大学植物科学与技术学院副教授陈涛和密歇根州立大学博士后研究员野村证券(Kinya Nomura)是该论文的共同主要作者。中国科学院植物生理生态研究所研究员辛秀芳和密歇根州立大学教授贺声洋是本文的合著者。

陈涛和金雅诺穆拉在密歇根州立大学的实验室做了实验。陈涛的绘画

2016年，何胜阳的团队在《自然》杂志上发表了一种细菌感染植物的新机制:细菌不仅抑制植物的免疫系统，还会在植物体内创造一个潮湿的环境，从而导致疾病。

在此基础上，最新研究使用拟南芥四个突变体mfec(min7 fls2 efr cerk1)来显示在高湿度条件下的黄化和坏死。通过16S rRNA基因扩增子测序，检测健康叶片(野生型，Col-0)和不健康叶片(突变体，mfec)的总微生物群和叶内微生物群。

结果表明，健康叶片和不健康叶片之间的微生物总多样性没有显著差异，但叶片中微生物类群的丰度和多样性有显著变化:不健康叶片中的微生物多样性下降，并从富含厚壁菌的类群转化为富含变形菌的类群(图1)。

图1陈涛，col-0和mfec突变体叶的微生物群的供应图

研究团队构建了合成菌群系统SynComCol-0和SynCommfec，并研究了合成菌群系统在无菌种植研究系统中的作用。结果表明，具有菌群失调的SynCommfec系统确实会导致不健康的植物(图2)。

图2影响植物健康的syncomcol-0和SynCommfec的功能比较。陈涛的绘画

随后，他们进一步研究了mfec突变体丢失在维持微生物多样性方面的机制。

通过体内和体外细菌相互作用，证明了细菌拮抗作用的存在，推测在mfec植物中，由于缺乏免疫模式触发免疫(PTI)和MIN7途径，细菌在突变体体内过度增殖，厚壁菌和变形菌具有拮抗作用，菌群多样性下降，菌群失调，最终导致植物叶片症状。

他们对另一个拟南芥突变体ben3(类似于mfec表型)的研究发现，CAD1可能是控制叶片中微生物数量和多样性的关键下游基因。CAD1、PTI和MIN7途径共同调节叶片中微生物的数量和多样性，防止菌群失调并维持植物健康。

有趣的是，CAD1、PTI途径基因和MIN7基因在植物界广泛存在。也许在不久的将来，这些基因可以被修饰以调节微生物群的稳定状态或优化微生物群，从而确保植物“叶圈”的健康，增加作物产量和改善自然生态系统。

相关论文信息:https://doi.org/ 10.1038/S 41586-020-2185-0