PBJ | 从权衡到协同:全面综述微生物对增强植物生长和免疫的新见解

病原体和害虫造成的作物减产对全球粮食安全构成了重大挑战。旨在加强植物防御机制的基因工程已成为控制病害的一种经济有效的解决方案。然而,加强植物对病原体和害虫的防御往往以牺牲自身生长和繁殖等重要生理功能为代价,这就形成了所谓的 “生长-防御权衡”。目前控制这一现象的精确分子机制仍未完全明了,一般可归纳为以下两种主要假设:代谢资源的 “被动 ”再分配,或优化植物适应性的“主动”调节选择。植物微生物群包括地上和地下的成分,在促进植物生长和适应逆境方面起着关键作用。越来越多的证据表明,植物与各种特定的微生物群落保持着密切的联系。并且通过Meta分析揭示了植物芽和根之间协调良好的双向交流和根部之间的双向交流,展示了植物主动管理微生物群以平衡生长和免疫的能力,特别是在应对病原体入侵时。
《PBJ | 从权衡到协同:全面综述微生物对增强植物生长和免疫的新见解》
近日,国际知名期刊 Plant Biotechnology Journal 在线发表了题为“From trade-off to synergy: microbial insights into enhancing plant growth and immunity”的研究论文,主要探讨了微生物如何帮助植物在生长和防御之间实现从权衡到协同的转变,介绍了利用特定根际相关微生物缓解生长与防御权衡的成功案例,揭示了植物生长与防御机制方面取得的关键进展。这些发现都为未来的研究和实际应用指明了广阔的前景。
作者总结了利用根相关微生物来缓解生长-防御权衡的证据,进一步阐明植物用来同步生长和防御的复杂的调节网络。
1. 揭示根际相关微生物群的复杂结构

植物通过促进与微生物群落的特定相互作用来保护自己。根际微生物组的结构受到植物和环境因素的动态调节,影响植物对病原体的抵抗力。研究表明,宿主相关微生物群的组成可能受到特殊代谢物和非生物应激源等因素的影响。植物如何能够适应不同的共生微生物群落,同时保持抗病性的难题目前仍然存在。

2. 根相关微生物的Meta分析揭示了它们在克服生长-防御权衡方面的潜力

通过深入分析微生物基因组,可以揭示根际微生物在促进植物生长和防御方面的作用。例如,根瘤菌科(Rhizobiales)的细菌在调节生长和防御平衡中起关键作用。

3. 转录组分析揭示了根相关微生物的双重益处

转录组学分析已经成为植物与微生物相互作用的动态视角,揭示了根际微生物如何同时刺激植物生长和增强抗病性。已有研究通过转录组学分析揭示了多粘类芽孢杆菌YC0136(烟草相关的ppgpb)促进植物生长和产量的机制,也有研究发现一些致病基因诱导了生长相关途径,但抑制了防御反应。这些例子都强调了转录组分析在研究中的作用,揭示了某些植物相关微生物在促进生长和抗病双重益处方面的潜力。

4. 通过根相关微生物解耦生长-防御权衡的机制研究

Meta分析和组学方法可作为预测工具,用于研究植物相关微生物生长-防御权衡的潜力,并为植物-微生物相互作用提供见解。这些研究结果都需要进行实验结果的进一步验证,揭示防御权衡的潜在机制。主要包括根相关微生物的植物激素动态和病原体抑制作用(比如通过影响植物激素水平和抑制病原体来增强植物生长和防御)、细胞壁相关酶的诱导(PGPR通过产生植物激素、侧向素和细胞壁相关酶等来增强植物生长和抵抗病原)以及通过干扰细菌的群体感应(QS)来增强植物的生长和防御。

5. 结论与未来展望

长期以来,植物生长和增强抗病性一直是植物育种的重要目标,但它经常受到生长-防御权衡的限制,虽然微生物肥料的潜力巨大,但通过Meta分析和组学数据表明,植物相关微生物具有克服这种权衡的更为强大的潜力与优势。对各种真菌/细菌-植物相互作用的研究表明,某些微生物也可以赋予增强植物生长和抗病性的双重益处。目前人们一直期望提高个体生物防治剂的有效性,并且合成微生物群落在不同领域有了广泛应用,但正在进行的研究已经对形成植物-微生物相互作用的分子复杂性产生了有价值的见解。最近的研究也阐明了影响营养状况、植物激素水平、次生代谢物、光合作用和能量产生的分子机制,在形成微生物群落对植物生长和防御的最终影响中起着关键作用。未来的研究需要进一步考虑微生物与植物相互作用的分子机制,以及如何优化植物生长和防御。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14360

文章来源:植物生物技术Pbj

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