释放微生物组的力量——与微生物密切关系的基本方面
叶子表面上的不同荧光细菌。来源：Maximilian Mittelviefhaus / 苏黎世联邦理工学院
不仅动物和人类拥有一个复杂的微生物群落——植物也是如此。苏黎世联邦理工学院的研究人员最近发表了两项新研究，阐明了这些密切但经常被忽视的关系的基本方面。
数百种不同的细菌物种生活在植物的叶子和根部之中和之上。由苏黎世联邦理工学院微生物研究所的 Julia Vorholt 领导的一个研究小组与德国的同事一起，在六年前首次对这些细菌进行了清查和分类。当时，他们从生活在拟南芥（Arabidopsis thaliana）叶子上的各种细菌群中分离出 224 株菌株。这些可以组装成简化的或“合成的”植物微生物组。因此，研究人员为他们刚刚发表在《自然植物》和《自然微生物学》杂志上的两项新研究奠定了基础。
植物响应的音量控制
在第一项研究中，研究人员调查了植物对微生物定殖的反应。Vorholt 的团队将细菌培养物滴到植物的叶子上，这些植物在此之前一直在无菌条件下培养。正如预期的那样，不同类型的细菌在植物中引发了各种反应。例如，接触某些 Gammaproteobacteria 属会导致 thale cress 植物激活总共 3,000 多个不同的基因，而 Alphaproteobacteria 平均仅触发 88 个基因的反应。
“尽管对微生物组的不同细菌有如此广泛的反应，但我们惊讶地发现了一个中心反应：植物实际上总是激活一组 24 个核心基因，”Vorholt 说。但这并不是团队发现的全部：作为植物反应的一种体积控制，这 24 个基因的激活强度提供了有关细菌在植物中定居的广泛程度的信息。这种体积控制还可以预测植物在适应新来的植物时会激活多少额外的基因。
具有完整免疫防御的植物（左上排）和免疫缺陷的植物（右上排）或一般非自我反应（下排）减弱的植物。图片来源：来自 Maier 等人，Nat Plants 2021 / ETH Zurich
Vorholt 的团队已经证明，在这 24 个基因中，有一些基因存在缺陷的植物更容易受到有害细菌的影响。由于其他研究已经注意到核心组中的一些基因也参与植物对渗透性休克或真菌侵染的反应，因此 ETH 研究人员推断这 24 个基因构成了一般的防御反应。“这看起来像是一种免疫训练，尽管我们使用的细菌不是病原体，而是自然群落中的伙伴，”Vorholt 说。
推荐产品: 生物显微镜配套设备
细菌群落失控
在第二项研究中，Vorholt 和她的团队探索了当突变导致植物缺乏一个或多个基因时细菌群落如何变化。该团队希望看到植物用来检测微生物存在的受体中的遗传缺陷在这个故事中发挥重要作用。
他们没想到的是，另一个遗传缺陷会产生最大的影响：如果植物缺乏某种酶，一种 NADPH 氧化酶，细菌群落就会失去平衡。植物利用这种酶产生具有抗菌作用的高活性氧自由基。在没有这种 NADPH 氧化酶的情况下，在正常情况下和平生活在叶子上的微生物会发展成所谓的机会性病原体。
在负责一般防御反应的 24 个核心基因组中是否发现了 NADPH 氧化酶？“不，那太好了，不可能是真的，”Vorholt 研究小组的成员、该研究的主要作者 Sebastian Pfeilmeier 说。这是因为负责 NADPH 氧化酶的基因在与微生物接触之前被打开，并且该酶被磷酸化控制的化学反应激活。
对于 Vorholt 来说，这两项研究表明，合成微生物组是研究不同群落内复杂相互作用的一种很有前途的方法。“由于我们可以控制和精确设计社区，我们可以做的不仅仅是观察发生的事情。除了简单地确定因果关系之外，我们还可以在分子水平上理解它们，”Vorholt 说。理想的微生物组可以保护植物免受疾病侵害，同时也使它们对干旱和盐分条件更具抵抗力。这就是为什么农业行业是对团队成果感兴趣的人之一。他们应该帮助农民在未来利用微生物组的力量。