研究人员发现有助于植物抵抗寄生虫的微生物

发布时间：2024-04-15 15:52:39 栏目：精选百科

导读 加州大学戴维斯分校的研究人员发现了可以帮助非洲主要作物之一抵抗主要害虫的细菌。他们的研究结果发表在 3 月 26 日的《细胞报告》上...

加州大学戴维斯分校的研究人员发现了可以帮助非洲主要作物之一抵抗主要害虫的细菌。他们的研究结果发表在 3 月 26 日的《细胞报告》上，可以提高高粱的产量，高粱是西非和东非国家食品和饮料的支柱。



非洲大约 20% 的高粱作物因巫草 (Striga Hermonthica) 而损失，巫草是一种寄生植物，通过附着在植物的根部来窃取养分和水分。

在这项新研究中，加州大学戴维斯分校的研究人员表明，土壤微生物会引起高粱根部的变化，使植物更能抵抗巫草的感染。他们确定了触发这些抗性特征的特定细菌菌株，并且可以用作土壤“益生菌”来提高未来高粱产量。

“这些微生物作为土壤添加剂具有广阔的前景，可以帮助撒哈拉以南非洲的农民成功种植高粱，”植物生物学和基因组中心教授、该论文的资深作者 Siobhan Brady 说。

一种有魔力的杂草

巫草是撒哈拉以南非洲小农面临的一个主要问题。这些寄生植物会产生数千颗微小种子，这些种子可以在土壤中休眠长达 20 年，因此极难根除。目前的控制方法——包括使用化学药剂、轮作和培育抗性高粱——只实现了部分控制，而且许多最需要它们的农民无法获得控制。

博士后学者 Dorota Kawa 与 Brady 以及荷兰和埃塞俄比亚的合作者一起工作，证明土壤微生物可以减轻高粱中的巫草感染。

布雷迪说：“这是第一个例子，表明微生物如何诱导宿主根细胞发生变化，而这些变化与抑制巫草有关。”

劫持植物信号

当高粱植物发现自己处于低磷酸盐土壤中时，它们会从根部释放化学物质来吸引真菌，帮助它们获取磷酸盐。不幸的是，对于高粱来说，巫草已经进化到对同样的信号做出反应。

布雷迪说：“这种寄生植物劫持了信号，因此当它们的种子感知到来自根部的相同信号时，它们就会发芽。”

发芽后，巫草会对高粱发出的额外化学信号做出反应，触发寄生虫生长出称为“吸器”的附属物，使其能够抓住并穿透高粱根部。

“一旦它与高粱脉管系统建立了这种联系，它就像寄生植物的营养高速公路一样，”布雷迪说。

布雷迪和卡瓦想知道土壤微生物是否可以阻止这种劫持。先前的研究表明，一种土壤真菌镰刀菌可以抑制金缕梅的萌发，从而抑制高粱的感染，但对于土壤细菌或真菌是否通过改变高粱根来抑制金缕梅的感染知之甚少。

作为第一项测试，研究人员比较了在“天然”土壤中发芽的高粱幼苗与在灭菌土壤中生长的高粱幼苗的敏感性。他们发现，在自然土壤中生长的植物比在无菌土壤中生长的植物具有更少的金缕梅，这表明细菌在植物抵抗感染的能力中发挥着重要作用。

微生物机制

接下来，该团队想要研究这种抵抗背后的机制。通过结合遗传学、显微镜学和体外实验，他们发现微生物会降解帮助金缕梅附着在宿主上的化学信号，并改变高粱的根部解剖结构，使金缕梅更难附着。他们观察到，当高粱植物在充满微生物的天然土壤中生长时，细菌会诱导基因产生更厚的木栓质层(一种蜡质物质，可能作为巫草的屏障)和更多充满空气的间隙或“通气组织”。 ” 这也可能会阻碍巫草对高粱的附着。

Brady 和她的合作者利用基因测序鉴定出了 100 多种与巫草抗性相关的细菌分类群。当他们在体外测试其中八种细菌菌株的功能时，他们鉴定出了一种能够降解土壤中化学物质的假单胞菌菌株和一种能够增加高粱根部木栓化的节杆菌菌株。

“令人兴奋的是，我们能够识别单个微生物，因为土壤中通常有一整套微生物，而且它们可能一起作用，”布雷迪说。

工具包中的另一个工具

布雷迪说：“最终目标是找到农民可以用来处理土壤或种子的微生物解决方案，以帮助预防独脚金感染。” “目的是，这应该成为农民综合解决方案的一部分——工具包中的另一个工具。”

现在，研究人员正在寻找能够赋予其他抗性特征的微生物。他们还从埃塞俄比亚开始，对其他地区的土壤微生物进行了特征分析，并研究这些微生物是否能够赋予其他也受到寄生虫影响的作物物种对巫草的抵抗力。

“我们需要确保我们使用的微生物来自这些微生物将被应用的国家，以便我们维持生物多样性，”布雷迪说。 “我们还希望优先考虑能够在珍珠粟和水稻等其他作物物种中发挥良好作用的微生物。”

该研究的其他作者包括：加州大学戴维斯分校的 Tamera Taylor、Hannah Vahldick、Zayan Musa、Alexander Chen 和 Jiregna Daksa; Desalegn Etalo，乌得勒支大学; Benjamin Thiombiano、Aimee Walmsley、Harro Bouwmeester 和 Mario Schilder，斯瓦默丹生命研究所; Mahdere Shimels、Dominika Rybka、Marcio Leite、Francisco Dini-Andreote、Eiko Kuramae 和 Jos Raaijmakers，荷兰生态研究所;亚历山大·巴克什，佐治亚大学;和埃塞俄比亚农业研究所的 Taye Tessema。卡瓦现在是乌得勒支大学的助理教授。

这项工作得到了比尔和梅琳达盖茨基金会、霍华德休斯医学研究所、能源高级研究计划局和国家科学基金会的支持。