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Nature​在线发表陈桃副教授与密歇根州立大学合作研究成果
发布时间:2020-04-13

2020年4月8日深夜,Nature(《自然》杂志)在线发表了题为"A plant genetic network for preventing dysbiosis in the phyllosphere"的研究论文,该研究率先开启了植物学的新领域——植物菌群失调与植物健康之间的关系。华中农业大学植物科学技术学院的副教授陈桃和密歇根州立大学的博士后Kinya Nomura为该论文的共同第一作者。中科院植物生理生态研究所的辛秀芳教授和密歇根州立大学的Shengyang He(何胜洋)院士为该论文的共同通讯作者。

植物叶片上生存着大量的不同种类的微生物,有益微生物和有害微生物与植物长期共存,但植物控制这些叶圈微生物并维持自身健康的机制尚不明确。

2016年,密歇根州立大学何胜洋教授团队在Nature上发表的科研成果揭示了一种细菌感染植物的新机制,即细菌除了能抑制植物的免疫系统之外,也会在植物体内产生一种潮湿的环境,加上高湿度的条件,容易引发植物病害。

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图1 Col-0和mfec突变体叶片微生物组a, Col-0和mfec的表型,b, Col-0和mfec叶内和全部叶片细菌的数目。c和d,微生物组测序分析Col-0和mfec叶内和全部叶片的细菌种类的多样性及相对丰度分析。

在该研究的基础上,作者团队利用拟南芥四突变体mfec (min7 fls2 efr cerk1)在高湿度的条件下显现出黄化和坏死的病症的特点,通过16S rRNA基因扩增子测序检测了健康叶片(野生型,Col-0)和不健康叶片(突变体,mfec)叶片总微生物组和叶内微生物组,结果表明,健康叶片和不健康叶片的总微生物组的多样性没有显著差异,但是叶内微生物组的丰度和多样性均有显著的变化,不健康的叶片内部微生物的多样性降低,从Firmicute-rich的群体转化为Proteobacteria-rich的群体(图 1)。

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图2 SynComCol-0和 SynCommfec影响植物健康的功能比较。a和b,野生型拟南芥在平板上生长,接种SynComCol-0或者 SynCommfec菌液,14天后的表型(a)及生物量统计(b);c和d,野生型拟南芥在无菌系统GnotoPots上生长,接种SynComCol-0或者 SynCommfec菌液26天后的表型(c)及叶片面积(d); e和f, SynComCol-0或者 SynCommfec菌液注射到野生型拟南芥叶片内部,浓度为108CFU/ml, 5天后叶片表型(e)及叶片内部细菌的数目(f)。

研究还通过构建合成菌群体系(SynComCol-0 和SynCommfec),并在无菌种植研究体系探索了合成菌群体系的功能,结果表明,菌群失调的SynCommfec的确会导致植物不健康(图 2)。

随后,他们进一步研究了mfec突变体丧失维持微生物组多样性的机制。研究通过体内和体外的细菌互作,证明细菌拮抗作用存在推测在mfec植物体内,因为免疫途径(Pattern-triggered immunity)和MIN7途径的缺失,导致细菌在突变体内过度增殖,从而使Firmicute和Proteobacteria发生拮抗作用,进而导致菌群的多样性减少,菌群失调,最终使得植物叶片显症。同时,通过对与mfec相似表型的另外一个突变体ben3(big2cad1S205F, 表型依赖于cad1S205F)的研究发现,CAD1可能是控制叶内微生物数目和多样性的一个关键下游基因,CAD1、Pattern-triggered immunity途径和MIN7途径共同调控叶内微生物的数目和多样性,阻止菌群失调,维持植物的健康。

此研究率先开启了植物科学新领域叶际微生物群失调与植物健康的关系。有意思的是,植物就像人类一样,已经进化出一个遗传网络来调控微生物菌群的稳态来维持植物的健康,而且该网络中的某些要素和调控方式与人类极为相似(例如已发现人类肠道微生物群失调会导致多种疾病)。

该工作发现的植物控制网络中的关键基因广泛存在于植物界中,也许不久的将来,可以通过改造植物中的这些基因来调控微生物群的稳态或者优化微生物群,以改善植物的健康生长和抵抗胁迫环境的能力,从而提高重要作物的产量和改良自然生态系统,为人类生活服务。

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陈桃博士(左一)和Kinya Nomura 博士在Shengyang He (何胜洋)密歇根州立大学实验室做实验

这个有趣现象是陈桃博士在密歇根州立大学做访问学者期间和Kinya Nomura博士及很多研究人员共同发现,也是许多实验室共同努力的结果。本研究的参与单位有Michigan State University、Huazhong Agricultural University、Howard Hughes Medical Institute、Chinese Academy of Sciences和University of Florida。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2185-0

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