Science| 揭示微生物区系与根内皮层的协调作用支持植物矿质养分的动态平衡

微生物技术 植物种植技术
eplants    2021-01-11    649

  2021年1月8日,Science 在线发表了英国诺丁汉大学DavidE. Salt教授和美国北卡罗来纳大学教堂山分校的Jeffery L. Dangl 教授为共同通讯作者的题为Coordination between microbiota and root endodermis supports plant mineral nutrient homeostasis 的研究文章。

  本文证明了在模式植物拟南芥中控制内皮层功能的基因有助于植物菌群的装配,并描述了一种由菌群驱动的内皮层分化的调控机制,对营养平衡有深远的影响。此外,作者证明了这种机制与菌群抑制根中对植物激素脱落酸反应的能力有关。本研究的发现将内皮层确立为协调菌群装配和体内平衡机制的调节枢纽。

图片.png

  所有活着的有机体都进化出动态平衡机制来控制它们的矿物质、营养和微量元素含量(离离子)。在植物根和动物肠道中,这些机制涉及到特殊的细胞层,这些细胞层起到水、溶质和免疫活性配体的扩散屏障的作用。要发挥这一作用,形成这些层的细胞必须紧密地密封在一起。此外,这些细胞必须在与当地微生物区系相互作用的同时执行自身平衡功能。

  在植物中,有两种类型的细胞外根扩散屏障存在于内胚层:一种是将细胞密封在一起的凯氏带,另一种是影响穿过细胞质膜运输的木栓质沉积物。这些根部扩散屏障是否以及如何与栖息在根部的微生物区系协调尚不清楚。这种协调可能会影响植物的表现、农艺产量和作物的营养质量。

  作者为了探索控制根扩散屏障性能的调控网络与根部功能复杂且代谢动态的微生物区系之间的相互作用,使用两种互补的方法,首先,对一组根扩散屏障发生了一系列特定改变的植物的微生物群进行了分析,以确定控制屏障成分合成和沉积的调控网络是否也控制着根微生物群的结构。其次,从自然土壤中生长的植物的地上部和根部分离出一系列细菌菌株,以确定微生物群对根系屏障功能的影响。最后,结合了这两种方法来确定根扩散屏障和它们相关的微生物区系之间的分子联系。

  作者分析了19个根扩散屏障突变体和过表达系的非冗余和多样性收集,以揭示根扩散屏障调控网络对植物微生物区系组装的影响。筛选了416个单独的细菌菌株,研究它们改变内胚层凯氏带和木栓质沉积物功能的能力,发现植物微生物区系在影响根系扩散屏障功能方面发挥了新的作用,从而影响了植物矿质营养的动态平衡。同时,设计和部署了一个细菌合成群落,结合离子学和转录组学来发现根扩散屏障和植物微生物区系之间协调的分子机制。

  研究有三个主要发现:(I)控制内胚层根扩散屏障的调控网络也影响着植物微生物区系的组成;(Ii)植物微生物群、细菌合成群落或自然微生物群落中的单个成员控制着内胚层扩散屏障的发育,特别是Suberin的沉积,从而影响植物的离子体和非生物胁迫耐受性;(Iii)植物微生物群影响根扩散屏障功能的能力是通过抑制依赖于植物激素脱落酸的信号来调节的。

图片.png

  微生物区系影响根系扩散障碍

  (A)显示微生物区系和根系扩散障碍之间相互作用的模型。微生物影响凯氏带的合成,并选择植物性脱落酸信号来控制内胚层的木栓化。(B)在无菌条件下生长的植物或有根部微生物区系的植物中木栓质积累的示意图。根生微生物减少了内胚层的亚硫化,优化了植物中矿质营养的动态平衡和非生物胁迫反应。

  该研究揭示了植物微生物群影响根扩散屏障功能,这概括了微生物群在控制细胞跨王国扩散屏障中的作用。此外,作者还定义了多细胞生物体中扩散屏障如何结合微生物功能来调节矿质营养平衡的分子基础。这一发现在植物和人类营养以及食品质量和安全方面具有潜在的应用价值。


本文为专栏作者授权科易网发表,版权归原作者所有。文章系作者个人观点,不代表科易网立场,转载请联系原作者。如有任何疑问,请联系ky@1633.com。
热门观点