植物-微生物互利共生新证据—根际土壤有益微生物募集利于小麦抗病

来源：植物生物学

植物自进化起源以来一直受到病原体、害虫、不良土壤和恶劣天气等外界环境的选择性压力。现有证据表明，在植物根际、根内圈等其他部位聚集的特异性微生物共生体并非仅仅作为寄生物，而且还可与寄主植物密切互动，影响植物的免疫系统以及生长发育的多个过程[1-3]。目前，植物与微生物之间精细复杂的互作机制还是未知的。而在可持续农业发展中，解决这一问题，将为未来基于微生物产品的应用研究提供支持。

根际是植物-土壤-微生物和微生物-微生物互作的热点区域。最近的研究结果显示，暴露于病原菌中的植株会促使有益微生物在根际富集[4]；一些抗病作物品种（例如，番茄和菜豆）能够通过丰富根际特定的细菌种类来抑制病原菌入侵[5, 6]，这表明特异的土壤微生物或微生物功能有利于促成正常的植物表型。然而，人们对植物与微生物群落通过互利共生来应对生物胁迫的潜在机制仍知之甚少。

2020年10月31日，来自澳大利亚西悉尼大学的Brajesh K. Singh和昆士兰大学的Peer M. Schenk团队在国际知名学术期刊New Phytologist上在线发表了题为“Evidence for the plant recruitment of beneficial microbes to suppress soil-borne pathogen”的研究论文。

本研究以硬质小麦（Triticum turgidum L.var. durum）和真菌病原体假禾谷镰刀菌（Fp, Fusarium pseudograminearum）为材料展开研究。由Fp引起的小麦冠腐病是澳大利亚小麦生产上最严重的病害，该病原菌于2012年在我国首次报道，目前已发现在多个地区引起严重危害。利用小麦-Fp系统，旨在探讨植物微生物对病原体侵染的响应，并确立介导植物抗病的植物-微生物互作机制。

作者采用综合微生物群落谱、病原菌和植物转录基因量化以及基于培养的方法，系统地研究了小麦植株、小麦相关微生物群落和FP三者之间的相互作用。症状检测及基因表达量化数据显示，Fp的成功入侵能够激活小麦中的JA与SA防御信号通路（图1）。

图1. Fusarium pseudograminearum（Fp）侵染对小麦茎部以及防御基因表达的影响

进一步对健康小麦和患病小麦根际微生物群落进行监测发现，小麦相关微生物群落组成在FP侵染后发生了显著变化。分离和鉴定结果显示，寡养单胞菌（Stenotrophomonas sp.）菌株SR80的富集尤为明显，并且这种选择性富集的细菌丰度与所有PR防御基因的转录丰度呈正相关。与Fp侵染植株相比，Fp+SR80处理对植株的生长和存活更加有利（图2）。

图2. SR80接种对小麦生长和存活的影响

当暴露于Fp环境下，小麦植株能够促成根际更多的SR80菌株富集，而这一积极的招募过程会伴随植物叶片中防御基因表达量的提高。同时，该研究组表示在未来的研究中会继续探索（1）植物叶片能否富集细菌；（2和3）化感作用能否引发细菌在邻近受威胁植物中的富集（图3）。

图3. SR80对植物生长和防御的生物学影响示意图

综上，该项研究表明由冠腐病感染小麦植株所引发的有益根际微生物的募集，可能通过调节植物防御能力来帮助和保护植物正常生长。这些富集的微生物作为预警信使，在植物受到病原体入侵时迅速激活JA和SA信号通路。此外，该项工作促进了目前对植物-微生物互作研究的理解，为植物和微生物之间互利共生的共同进化理论提供了支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1111/nph.17057

参考文献：

1. Edwards J, Johnson C, Santos-Medellín C, Lurie E, Podishetty NK, Bhatnagar S, Eisen JA, Sundaresan V. 2015. Structure, variation, and assembly of the root-associated microbiomes of rice. Proc Natl Acad Sci USA 112 (8): E911-E920.

2. Álvarez-Pérez S, Lievens B, Fukami T. 2019. Yeast & bacterium interactions: the next frontier in nectar research. Trends Plant Sci 24 (5): 393-401.

3. Liu H, Brettell LE. 2019. Plant defense by VOC-induced microbial priming. Trends Plant Sci 24 (3): 187-189.

4. Berendsen RL, Vismans G, Yu K, Song Y, de Jonge R, Burgman WP, Burmølle M, Herschend J, Bakker PAHM, Pieterse CMJ. 2018. Disease-induced assemblage of a plant-beneficial bacterial consortium. ISME J 12 (6): 1496-1507.

5. Kwak M-J, Kong HG, Choi K, Kwon S-K, Song JY, Lee J, Lee PA, Choi SY, Seo M, Lee HJ, et al. 2018. Rhizosphere microbiome structure alters to enable wilt resistance in tomato. Nat Biotechnol 36 (11): 1100-1109.

6. Mendes LW, Raaijmakers JM, de Hollander M, Mendes R, Tsai SM. 2018. Influence of resistance breeding in common bean on rhizosphere microbiome composition and function. ISME J 12 (1): 212-224.