植物根相关细菌优先定殖于它们的原生宿主植物根

来自马克斯普朗克植物育种研究所和丹麦奥胡斯大学的一个国际研究小组发现，植物微生物群中的细菌适应了它们的宿主物种。在一项新发表的研究中，他们展示了与根相关的细菌在殖民原生宿主时如何具有竞争优势，这使它们能够侵入已经建立的微生物群。

植物，包括水稻和小麦等作物，通过根部获取必需的矿质养分和水分，使其成为植物与土壤环境之间的重要界面。陆地植物的根与广泛的微生物（包括细菌）相关联，这些微生物从周围的土壤中招募并组装成称为根微生物群的结构化群落。这些微生物群落由植物宿主维持，植物宿主为它们提供养分，主要以根部分泌的有机碳化合物的形式。反过来，这些共生细菌介导了对植物宿主有益的多个过程，例如提供对病原体的防御、改善土壤中的养分动员以及对生长产生积极影响。

鉴于它们对植物健康的重要性，根系微生物群的研究已发展成为一个有前途的研究领域，旨在了解这些相互作用是如何发生的，并最终有助于提高作物的产量和恢复力。虽然众所周知，植物通过它们的根将多种小分子分泌到土壤中，这些小分子充当土壤细菌亚群定植根的化学引诱剂，但宿主进行的主动选择的程度以及根相关的程度微生物群落适应特定植物物种的情况在很大程度上仍然未知。在《自然微生物学》上发表的一项新研究中来自德国科隆 MPIPZ 植物微生物相互作用系和丹麦奥尔胡斯大学的一组研究人员旨在更深入地了解这些复杂的多物种相互作用。

作为这项探索的第一步，他们从模型豆科植物 Lotus japonicus 中建立了一个全面的根源细菌集合，其中一小部分是共生细菌，可以固定大气中的氮以促进植物生长。连同来自模型十字花科植物拟南芥根部的已经建立的培养物收藏，合成微生物群落 (SynComs) 旨在探索不同植物物种的微生物群落组装。尽管这两种植物的细菌群落相似，但研究人员观察到这些细菌明显倾向于在其原生宿主中定殖。与最初从其他宿主分离的细菌相比，这种偏好是由多种细菌物种在殖民其起源宿主时表现出的更高竞争力所介导的。

引人注目的是，宿主偏好仅在不同微生物相互竞争的群落环境中观察到，但在没有竞争的情况下允许单个细菌物种在植物根部定殖时则观察不到。当与不同的合成群落相互作用时，对两种植物物种的基因表达的分析进一步表明，该过程至少部分是由宿主驱动的。有趣的是，天然和非天然 SynComs 的根定植展示了许多众所周知的植物免疫调节剂的对比基因表达谱。基于这一观察结果，作者随后假设本地菌株在通过形成物种特异性宿主生态位而定殖其相应宿主植物的根部时具有竞争优势。为了检验这个假设，科学家们进行了一系列复杂的实验，其中允许来自不同宿主物种的 SynComs 侵入宿主和非宿主植物中已经建立的根相关细菌群落。他们的结果表明，本地 SynComs 在入侵宿主植物中已经建立的微生物群时具有竞争优势，这表明共生细菌对其本地植物物种的适应会导致入侵性和持久性增加。

引用该研究的第一作者 Kathrin Wippel 的话：“我们惊讶地发现，原生和非原生 SynComs 的根部定植导致植物根部的差异转录重编程，这可能有助于形成原生共生细菌的特定根位生态位。这些发现表明，不同的土壤居住细菌与特定的寄主植物相关并更喜欢这种植物，类似于病原体或植物的有益共生体。” 这些发现可能对农业产生有意义的影响，因为它们强调了不同细菌之间竞争力的重要性以及宿主偏好对成功根系定植的影响。