科学探索|一项新研究从基因上区分植物根部微生物组中的朋友和敌人一项新研究从基因上区分植物

复杂的微生物群落栖息在植物中并调节它们的发育。特别是根部，承载着广泛的微生物多样性，包括细菌和真菌在内，它们直接影响植物的健康。MPIPZ的研究人员先前发现，这些真菌是根部微生物组的重要成员，可以促进植物生长，但只有当它们被宿主先天免疫系统和根部栖息的细菌联合行动所控制时才会如此。
在《自然-通讯》上发表的一项新研究中，研究人员对这些真菌如何在根部定居，为什么它们中的许多真菌可能是有害的，以及在根部霉菌群中有益的真菌与致病的真菌有何区别提供了新见解。为了更好地描述这些根部殖民真菌的广泛多样性，研究人员从欧洲各地健康植物的根部分离出各种真菌菌株，并选择了41个能代表A.thaliana根部菌群的菌株。
【科学探索|一项新研究从基因上区分植物根部微生物组中的朋友和敌人】

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研究人员对这些真菌的基因组进行了测序，并与之前描述的其他真菌进行了比较，这些真菌具有吸液性、病原性、内生性或菌根性。令人惊讶的是，科学家们发现大多数根部菌群成员来自于可能是病原体的祖先，并且保留了一系列基因，这些基因以前被证明在菌根有益真菌的基因组中丢失。这些基因编码类似于效应器的小型分泌蛋白，可以调节宿主的免疫系统，以及可以降解大量植物细胞壁成分的酶，包括果胶、纤维素和半纤维素。这些发现提出了一种可能性，即许多这些真菌可能至少保留了它们祖先的部分致病能力。
为了测试这一假设，在没有任何微生物的情况下，将A. thaliana植物种植在一个封闭的系统中，然后对41种真菌分离物中的每一种重新进行克隆。这个实验确定了真菌对植物生长的影响的广泛多样性，从高度有害到有益不等。值得注意的是，作者观察到，对植物最有害的菌株比那些具有有益影响的菌株更积极地在根部定居。此外，在自然界中最常在A. thaliana的根部检测到的真菌也是在单一关联实验中对其宿主显示出有害影响的真菌。研究小组以前的工作表明，当宿主的免疫系统和根部栖息的细菌没有严格控制这些真菌的增殖时，植物的真菌生物群会变得有害。这些新的结果表明，在自然界中，具有高根部定植潜力的真菌具有高致病潜力，这项研究解释了控制其生长的必要性。
然后，作者使用包括机器学习模型在内的多种关联方法，将真菌对A. thaliana生长的影响与基因组组成联系起来，并成功确定了一个可以解释有害影响和根部定植能力的候选基因家族。这些研究结果表明，真菌基因组中的植物细胞壁降解酶复合物是驱动进入根系内圈的关键遗传决定因素，并解释了为什么强大的根系定植者如果过于积极地降解根系就有可能变得有害。
这项研究强调，自然界中健康植物的真菌生物组是由朋友和敌人组成的。这一发现为真菌对植物健康的影响提供了一个新的视角，并可能为农业打开新的令人兴奋的发展之门。利用这些结果，科学家有可能设计和优化合成真菌群落，以获得对植物性能有益的结果。