在植物的微觀世界里，一場(chǎng)悄無聲息卻至關(guān)重要的“信息戰(zhàn)”正在地下展開。2025年9月發(fā)表于《Cell Host&Microbe》的一項(xiàng)研究，將聚光燈打在了植物間神秘的“地下互聯(lián)網(wǎng)”——共同菌根網(wǎng)絡(luò)（CMNs）上，揭示了其通過改變根際微生物群組裝促進(jìn)植物抗病性的全新機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)，宛如為植物抗病領(lǐng)域開啟了一扇新的大門。
研究背景與目的
植物間如何實(shí)現(xiàn)信息傳遞，從而協(xié)同應(yīng)對(duì)病害，一直是科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。叢枝菌根真菌所形成的CMNs，作為連接不同植物根系的地下網(wǎng)絡(luò)，被視作植物間信息交流的潛在“高速通道”。然而，盡管其重要性不言而喻，但CMNs的信號(hào)傳遞機(jī)制以及對(duì)植物群落性能的影響，長(zhǎng)期以來如同隱匿在迷霧之中。此項(xiàng)研究，正是懷揣著揭開這層迷霧的目的，聚焦于CMNs是否能借助傳遞信號(hào)分子，如茉莉酸（JA），來調(diào)控鄰近植物根際微生物組，進(jìn)而增強(qiáng)植物抗病能力。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
根箱實(shí)驗(yàn)成為了探索的起點(diǎn)。研究人員利用根箱系統(tǒng)，巧妙地分隔空間，防止植物根系直接接觸，僅允許菌絲通過，以此模擬自然環(huán)境中植物通過CMNs相連的狀態(tài)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，他們將感染了植物病原菌灰霉菌（Botrytis cinerea）的供體植物與受體植物通過CMNs相連。結(jié)果令人振奮：與感染灰霉菌的供體植物相連的受體植物，葉片上的病斑面積顯著減少，防御基因的表達(dá)也明顯上調(diào)。這一結(jié)果初步表明，CMN介導(dǎo)的跨植物通信能夠增強(qiáng)受體植物的抗病反應(yīng)。
緊接著，土壤微生物組在這一抗病過程中的作用被重點(diǎn)研究。研究人員發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)土壤微生物群落存在時(shí)，受體植物的抗病效果才能最大化。有微生物存在時(shí)，病斑減少幅度可達(dá)47.8%，而無微生物時(shí)，病斑僅減少26.8%。后續(xù)的根際移植實(shí)驗(yàn)更是有力地證明，受體植物的根際土壤直接具備抑制病害的能力。這一系列實(shí)驗(yàn)明確了土壤微生物組在植物抗病性中扮演著不可或缺的角色。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：JA信號(hào)與微生物的“抗病聯(lián)盟”
在確定了CMNs和土壤微生物組的重要性后，研究進(jìn)一步深入到微觀層面。通過細(xì)菌16S核糖體RNA（rRNA）基因擴(kuò)增子測(cè)序等技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，感染灰霉菌的供體植物以及與之相連的受體植物根際中，放線菌門的鏈霉菌（Streptomyces）和小單孢菌（Actinoplanes spp.）顯著富集。從番茄根際樣本中分離出的鏈霉菌C89和小單孢菌C126，在盆栽實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出強(qiáng)大的抗病能力，它們分別或聯(lián)合接種，都能顯著抑制番茄葉片上的感染病斑面積，并誘導(dǎo)植物防御相關(guān)基因的高表達(dá)。
那么，這些有益微生物是如何被招募到受體植物根際的呢？研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌并非沿著菌絲遷移，而是受體植物在接收到信號(hào)后，根系分泌物發(fā)生了改變。高效液相色譜（HPLC）-質(zhì)譜（MS）分析表明，灰葡萄孢感染促使感染供體和相連受體的根分泌物化學(xué)成分變化，分泌出如谷氨酸、賴氨酸、核黃素等特定代謝物，這些物質(zhì)選擇性地促進(jìn)了抑病細(xì)菌C89與C126的定殖。而且，人工添加這些化合物也能模擬CMN介導(dǎo)的抗病效果和微生物組變化。
在探尋信號(hào)分子的過程中，JA脫穎而出。RNA測(cè)序（RNA-seq）分析顯示，灰葡萄孢感染導(dǎo)致感染供體和相連受體根中JA和茉莉酸異亮氨酸的含量增加。通過遺傳策略以及穩(wěn)定同位素標(biāo)記等方法，研究人員證實(shí)了JA就是通過CMN在植物間傳遞的關(guān)鍵信號(hào)分子。在JA信號(hào)突變體中，CMN介導(dǎo)的抗病性和微生物組富集現(xiàn)象消失，這進(jìn)一步坐實(shí)了JA的關(guān)鍵地位。
此外，研究還發(fā)現(xiàn)，外源施加茉莉酸甲酯（MeJA）可模擬CMN的效應(yīng)，不僅激活JA信號(hào)、改變根系分泌物，還能富集鏈霉菌和小單孢菌，增強(qiáng)植物的抗病性。
新機(jī)制的全貌
綜合各項(xiàng)研究結(jié)果，一個(gè)完整而精妙的植物抗病機(jī)制畫卷徐徐展開：當(dāng)供體植物受到病原菌灰霉菌侵染時(shí)，會(huì)產(chǎn)生JA信號(hào)，JA通過CMN傳遞至受體植物。在受體植物中，JA信號(hào)誘導(dǎo)根系分泌物改變，分泌出的特定代謝物招募來鏈霉菌和小單孢菌等有益根際微生物，這些微生物形成了一道堅(jiān)固的防線，增強(qiáng)了受體植物的系統(tǒng)抗病性。
這一研究首次系統(tǒng)地揭示了CMN通過JA信號(hào)-根系分泌物-微生物組軸介導(dǎo)植物間抗病通信的機(jī)制，為植物抗病領(lǐng)域提供了全新的理論基礎(chǔ)。它讓我們看到，植物在面對(duì)病害威脅時(shí)，并非各自為戰(zhàn)，而是通過地下的菌根網(wǎng)絡(luò)，傳遞信號(hào)，招募“盟友”，共同抵御病害。這不僅為開發(fā)基于微生物的防治策略指明了方向，也讓我們對(duì)植物間復(fù)雜而精妙的相互作用有了更深層次的認(rèn)識(shí)。在未來，或許我們能借助這一機(jī)制，為農(nóng)作物抗病、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)等領(lǐng)域帶來創(chuàng)新性的突破。
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