華中農大與密西根州立大學的這項研究 開啟了一個植物學新領域

2020年4月8日深夜，Nature（《自然》雜誌）在線發表了題為&34;的研究論文，該研究率先開啟了植物學的新領域——植物菌群失調與植物健康之間的關係。華中農業大學植物科學技術學院的副教授陳桃和密西根州立大學的博士後Kinya Nomura為該論文的共同第一作者。中科院植物生理生態研究所的辛秀芳教授和密西根州立大學的Shengyang He（何勝洋）院士為該論文的共同通訊作者。

植物葉片上生存著大量的不同種類的微生物，有益微生物和有害微生物與植物長期共存，但植物控制這些葉圈微生物並維持自身健康的機制尚不明確。

2016年，密西根州立大學何勝洋教授團隊在Nature上發表的科研成果揭示了一種細菌感染植物的新機制，即細菌除了能抑制植物的免疫系統之外，也會在植物體內產生一種潮溼的環境，加上高溼度的條件，容易引發植物病害。

圖1 Col-0和mfec突變體葉片微生物組。a, Col-0和mfec的表型，b, Col-0和mfec葉內和全部葉片細菌的數目。c和d，微生物組測序分析Col-0和mfec葉內和全部葉片的細菌種類的多樣性及相對豐度分析。

在該研究的基礎上，作者團隊利用擬南芥四突變體mfec (min7 fls2 efr cerk1)在高溼度的條件下顯現出黃化和壞死的病症的特點，通過16S rRNA基因擴增子測序檢測了健康葉片（野生型，Col-0）和不健康葉片（突變體，mfec）葉片總微生物組和葉內微生物組，結果表明，健康葉片和不健康葉片的總微生物組的多樣性沒有顯著差異，但是葉內微生物組的豐度和多樣性均有顯著的變化，不健康的葉片內部微生物的多樣性降低，從Firmicute-rich的群體轉化為Proteobacteria-rich的群體（圖 1）。

研究還通過構建合成菌群體系（SynComCol-0 和SynCommfec），並在無菌種植研究體系探索了合成菌群體系的功能，結果表明，菌群失調的SynCommfec的確會導致植物不健康（圖 2）。

圖2 SynComCol-0 和 SynCommfec 影響植物健康的功能比較。a和b，野生型擬南芥在平板上生長，接種SynComCol-0 或者 SynCommfec菌液，14天後的表型（a）及生物量統計（b）；c和d，野生型擬南芥在無菌系統GnotoPots上生長，接種SynComCol-0 或者 SynCommfec 菌液26天後的表型（c）及葉片面積（d）；e和f, SynComCol-0 或者 SynCommfec 菌液注射到野生型擬南芥葉片內部，濃度為108CFU/ml, 5天後葉片表型（e）及葉片內部細菌的數目（f）。

隨後，他們進一步研究了mfec突變體喪失維持微生物組多樣性的機制。研究通過體內和體外的細菌互作，證明細菌拮抗作用存在推測在mfec植物體內，因為免疫途徑（Pattern-triggered immunity）和MIN7途徑的缺失，導致細菌在突變體內過度增殖，從而使Firmicute和Proteobacteria發生拮抗作用，進而導致菌群的多樣性減少，菌群失調，最終使得植物葉片顯症。

同時，通過對與mfec相似表型的另外一個突變體ben3（big2cad1S205F, 表型依賴於cad1S205F）的研究發現，CAD1可能是控制葉內微生物數目和多樣性的一個關鍵下遊基因，CAD1、Pattern-triggered immunity途徑和MIN7途徑共同調控葉內微生物的數目和多樣性，阻止菌群失調，維持植物的健康。

此研究率先開啟了植物科學新領域葉際微生物群失調與植物健康的關係。有意思的是，植物就像人類一樣，已經進化出一個遺傳網絡來調控微生物菌群的穩態來維持植物的健康，而且該網絡中的某些要素和調控方式與人類極為相似（例如已發現人類腸道微生物群失調會導致多種疾病）。

陳桃博士（左一）和Kinya Nomura 博士在Shengyang He （何勝洋）密西根州立大學實驗室做實驗

該工作發現的植物控制網絡中的關鍵基因廣泛存在於植物界中，也許不久的將來，可以通過改造植物中的這些基因來調控微生物群的穩態或者優化微生物群，以改善植物的健康生長和抵抗脅迫環境的能力，從而提高重要作物的產量和改良自然生態系統，為人類生活服務。