在植物的微觀世界里，一場悄無聲息卻至關(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植物抗病性的全新機制。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
植物間如何實現(xiàn)信息傳遞，從而協(xié)同應(yīng)對病害，一直是科學(xué)界關(guān)注的焦點。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的信號傳遞機制以及對植物群落性能的影響，長期以來如同隱匿在迷霧之中。此項研究，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分子，如茉莉酸（JA），來調(diào)控鄰近植物根際微生物組，進而增強植物抗病能力。
實驗設(shè)計
根箱實驗成為了探索的起點。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)。在這個實驗里，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研究。研究人員發(fā)現(xiàn)，只有當土壤微生物群落存在時，受體植物的抗病效果才能最大化。有微生物存在時，病斑減少幅度可達47.8%，而無微生物時，病斑僅減少26.8%。后續(xù)的根際移植實驗更是有力地證明，受體植物的根際土壤直接具備抑制病害的能力。這一系列實驗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，研究進一步深入到微觀層面。通過細菌16S核糖體RNA（rRNA）基因擴增子測序等技術(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，在盆栽實驗中展現(xiàn)出強大的抗病能力，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。
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)，細菌并非沿著菌絲遷移，而是受體植物在接收到信號后，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)選擇性地促進了抑病細菌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。
在探尋信號分子的過程中，JA脫穎而出。RNA測序（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)定同位素標記等方法，研究人員證實了JA就是通過CMN在植物間傳遞的關(guān)鍵信號分子。在JA信號突變體中，CMN介導(dǎo)的抗病性和微生物組富集現(xiàn)象消失，這進一步坐實了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、改變根系分泌物，還能富集鏈霉菌和小單孢菌，增強植物的抗病性。
新機制的全貌
綜合各項研究結(jié)果，一個完整而精妙的植物抗病機制畫卷徐徐展開：當供體植物受到病原菌灰霉菌侵染時，會產(chǎn)生JA信號，JA通過CMN傳遞至受體植物。在受體植物中，JA信號誘導(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固的防線，增強了受體植物的系統(tǒng)抗病性。
這一研究首次系統(tǒng)地揭示了CMN通過JA信號-根系分泌物-微生物組軸介導(dǎo)植物間抗病通信的機制，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，植物在面對病害威脅時，并非各自為戰(zhàn)，而是通過地下的菌根網(wǎng)絡(luò)，傳遞信號，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，也讓我們對植物間復(fù)雜而精妙的相互作用有了更深層次的認識。在未來，或許我們能借助這一機制，為農(nóng)作物抗病、生態(tài)系統(tǒng)保護等領(lǐng)域帶來創(chuàng)新性的突破。
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