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根际微生物群落介导植物磷胁迫应答与免疫调控的整合机制

贾利华 王鑫 张蕊 林德立 邱睿 邢国珍 刘娜 郑文明

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根际微生物群落介导植物磷胁迫应答与免疫调控的整合机制

    作者简介: 贾利华E-mail:lihuajia2014@foxmail.com;
    通讯作者: 刘娜, E-mail:naliu@henau.edu.cn ; 郑文明, E-mail:wmzheng@henau.edu.cn

Rhizosphere microbial community mediated a synergism regulatory mechanism of phosphorus stress and immunity in plants by the integrated pathway

    Corresponding author: LIU Na, E-mail:naliu@henau.edu.cn ;ZHENG Wen-ming, E-mail:wmzheng@henau.edu.cn
  • 摘要: 植物与土壤微生物的长期互作过程中,逐渐演化形成了植物−微生物相互适应的协同调控机制。植物种类和根系分泌物可以影响根际微生物的群落结构,而根际微生物群落反过来也可以影响植物对土壤环境中生物和非生物胁迫的响应。植物磷饥饿 (耐低磷) 响应机制和抗病 (免疫) 机制研究在农业生产上都具有十分重要的意义。近年来的研究表明,植物根际微生物可以介导植物对营养物质识别 (饥饿响应) 和病原防御系统 (免疫) 分子机制的整合调控。本文综述了本领域研究的最新进展,详细解析了植物体内磷胁迫调控与免疫调控两个重要网络在根际微生物群落影响下发生的整合调控,探讨了植物体内分子应答与根际生态的互作机制,对开展作物耐低磷及抗病机制的研究和应用都具有重要意义。
  • 图 1  植物根系耐低磷胁迫响应机制

    Figure 1.  The response mechanism of plant root to tolerate low phosphorus

    图 2  根际间互作[29]

    Figure 2.  Interactions in the rhizosphere

    图 3  植物响应微生物入侵的作用通路

    Figure 3.  The pathways of plant in response to the invasion of microorganisms

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-21
  • 网络出版日期:  2019-02-20
  • 刊出日期:  2019-02-01

根际微生物群落介导植物磷胁迫应答与免疫调控的整合机制

    作者简介:贾利华E-mail:lihuajia2014@foxmail.com
    通讯作者: 刘娜, naliu@henau.edu.cn
    通讯作者: 郑文明, wmzheng@henau.edu.cn
  • 1. 河南农业大学生命科学学院/小麦玉米作物学国家重点实验室/河南粮食作物协同创新中心,河南郑州 450002
  • 2. 河南省农业科学院烟草研究所/烟草行业黄淮海烟区病虫害防控重点实验室,河南许昌 461000

摘要: 植物与土壤微生物的长期互作过程中,逐渐演化形成了植物−微生物相互适应的协同调控机制。植物种类和根系分泌物可以影响根际微生物的群落结构,而根际微生物群落反过来也可以影响植物对土壤环境中生物和非生物胁迫的响应。植物磷饥饿 (耐低磷) 响应机制和抗病 (免疫) 机制研究在农业生产上都具有十分重要的意义。近年来的研究表明,植物根际微生物可以介导植物对营养物质识别 (饥饿响应) 和病原防御系统 (免疫) 分子机制的整合调控。本文综述了本领域研究的最新进展,详细解析了植物体内磷胁迫调控与免疫调控两个重要网络在根际微生物群落影响下发生的整合调控,探讨了植物体内分子应答与根际生态的互作机制,对开展作物耐低磷及抗病机制的研究和应用都具有重要意义。

English Abstract

  • 磷是植物生长发育所必需的大量元素之一,耕作土壤中有效性磷的缺乏严重限制了作物的生长与产量[1]。据报道,低磷胁迫造成全球范围内30%~40%的农作物产量显著降低[23] 。植物可以直接吸收的有效磷在土壤中多数以无机磷酸盐的形式存在,利用率低且流动性差。为了适应土壤环境,植物根系形成了利用根表面高亲和型转运子从土壤中吸收正磷酸盐形式的磷,转运子与菌根微生物协同表达互作的途径以响应低磷胁迫[4]。除此之外,植物还可以通过扩大根与土壤的接触面积 (激素刺激生长、根分支和根毛发育增加),改变吸附平衡以促进正磷酸盐离子向土壤液的净转移,利用微生物直接或间接地增加有机磷的转移等几种不同的方式来增加对土壤磷的吸收。植物根系可以利用根际微生物调控土壤磷的吸收和利用[57],例如菌根真菌可通过形成根外菌丝以扩大对土壤磷的吸收面积、诱导表达磷转运子、促进植物对外源磷的活化等来提高磷的利用效率和降低代谢过程,进而促使少数可利用的有机或无机磷直接溶解或矿化[4, 810](图1)。

    图  1  植物根系耐低磷胁迫响应机制

    Figure 1.  The response mechanism of plant root to tolerate low phosphorus

    植物根系可以适应土壤环境形成植物、土壤和多样性微生物群体三者相互协调的特定微生态平衡,微生物群体的结构随土壤环境营养成分不同而变化[11]。植物相关联的微生物群体会与植物进行营养竞争,而这一竞争关系可能促使植物产量的提高。孢囊丛枝菌根会与植物形成共生体,促进土壤有机磷的活化和利用[1213],然而,孢囊丛枝菌根聚集时植物免疫系统与微生物识别因子间的协调机制尚未明确。Castrillo等[14]利用磷酸胁迫响应对微生物群体结构的影响,明确了调控组合型微生物群体出现时拟南芥营养与防御间协调的分子机制,并进一步证明了磷酸盐胁迫响应的主要调控转录因子 (PHR1) 会抑制植物的防御反应。

    本文综述了本领域研究的最新进展,详细解析了植物体内磷胁迫调控与免疫调控两个重要网络在根际微生物群落影响下发生的整合调控,探讨了植物体内分子应答与根际生态的互作机制,为开展作物耐低磷及抗病机制的研究和应用提供理论支持。

    • 植物种类、土壤类型和根系分泌物会影响根际微生物[15],植物种类对根际微生物群落与数量的影响受许多环境因素的影响,且同种植物也会因基因型不同出现微生物群落差异[1618]。根际微生物群落主要来自土壤,植物为根际微生物选择特定的元素,以构建利于其生长的根际微生物群落[1921]。根系分泌物是植物与土壤进行物质交换和信息传递的重要载体,为土壤微生物提供丰富的营养,微生物会在富含根系分泌物的根际及根表面进行定殖,其中土壤有效磷、铵态氮和硝态氮含量影响着黑土土壤真菌群落结构[22]。相对而言,根际微生物也会影响植物的生长,根际有益微生物会通过产生激素类物质[23]、促进植物养分吸收、增强植株抗性、抑制病原菌生长和诱导植物对生物及非生物胁迫的抗性等方式促进植物的生长。如接种典型的有益微生物菌根真菌不仅促进共生植物根系分泌有机酸和磷酸酶,还能提高植物体对土壤中难溶性磷酸盐的活化能力[8, 12, 24],促进水和矿物质的吸收,尤其是磷酸盐的吸收[25]

      此外,有益微生物群体能利用直接或间接的方式保护植物免受病原体的侵害,但效力受微生物群体的其它成员的影响,且只有抑制病原体微生物的有益微生物数量充足才能产生正面效果,原因是发挥反面作用与不发挥作用的微生物群体都与有益微生物产生竞争关系,且微生物特定的功能作用于特定微生物[2628]。综上,微生物群体和它们自身之间的互作共同影响植物的健康 (图2)[29]

      图  2  根际间互作[29]

      Figure 2.  Interactions in the rhizosphere

    • 植物拥有的特定物理和化学环境,为特定微生物类群定殖提供有利条件。微生物的定殖受诸多因素影响,其中最主要的两个影响因素是植物免疫系统和土壤营养组成[30]。土壤中有效磷的缺乏促使植物发生磷饥饿响应 (PSR) ,PSR的主要调控转录因子 (PHR1)(Myb-CC家族成员[31]) 会在植物发生磷饥饿响应时从调控基因与负调控因子SPX1和SPX2的复合物中解离出来,且调控基因的产物磷酸转运子PHT1;1和PHT1;4在质膜上受PHF1调控[32]。植物常增加侧根长度以搜寻进入磷酸盐积累的表层土壤中[33],以此来提高正磷酸盐 (Pi) 的吸收率,并与一些土壤微生物群体建立互利关系[3435]

      Castrillo等[14]利用野生型与PSR突变体拟南芥根部的微生物群体间差异连接PSR和根际微生物;通过植物幼苗时期的茎部Pi含量测定植物PSR强度,揭示了复杂的土壤环境和微生物会影响植物的Pi代谢活性。同时,不同信号类型的植物PSR突变体聚集的差异微生物群体,进一步证明了植物PSR成分影响根部微生物群体的成分和结构稳定性。研究还利用从十字花科根部微生物群体和野生型土壤微生物群体分离得到的35种微生物,通过基因组16S测序方法研究35种微生物的进化关系,结果发现进化分布与野生型的土壤微生物群体的进化分布存在高度相似性。将基于此类菌群人工组合的土壤微生物群体分别接种野生型和PSR突变体植株,结果显示,人工组合的微生物群体并未改善低磷胁迫下突变体的磷积累量。同时发现,微生物与植物间的磷营养竞争关系,可能受到植物PSR相关的调控因子的影响。通过检测PSR相关转录标记因子的表达水平,发现微生物群体在植物体上的定殖能增加磷的积累,并功能性的刺激植物发生PSR。由此推测,根际微生物诱导植物低磷转录响应。

    • 植物在长期演化过程中形成许多抵抗病原微生物入侵的能力和特性,其中包括植物自身的免疫性[36]。微生物定殖在植物根部会受到植物免疫系统的调控,植物激素水杨酸 (SA) 和茉莉酸 (JA) 是植物免疫系统的主要调控子[37],SA参与的信号网络控制的微生物会引发系统和基础防御响应[38]phr1;phl1突变体拟南芥在缺磷条件下,人工组合的细菌微生物群体能与植物竞争吸收磷,并引发植物发生PSR,植物在响应低磷胁迫与组合型细菌群体时,基因的表达水平发生了变化,其中包含了大多数受PHR1调控的PSR核心标记基因。利用CHIP-seq实验,证实其涉及的反应网络富含PHR1直接靶定基因、PHR1启动子结合元件和PSR相关的生物过程基因[14]。根部微生物的介入能与植物竞争营养物质并诱导植物PSR的发生,而植物PSR又受到PHR1调控,从而形成了根部微生物群落协同变化的PSR。

      Castrillo等[14]利用茉莉酸甲酯和SA类似物苯并噻二唑对苗期拟南芥野生型、phr1突变体和phr1;phl1突变体进行处理,研究PHR1在调控植物免疫的功能。两种突变体中强烈表达的SA响应基因是典型的SA依赖性防卫基因,较低表达的SA响应基因中富含可能作用于PSR的基因,缺乏SA依赖的防卫基因;两种突变体中JA响应基因的表达水平较低,内含基因已知或被预测参与调节防御相关的硫代葡萄糖苷的生物合成[39],与植物在磷酸盐饥饿状态下硫代葡萄糖苷水平下降的结果一致[40];SA、JA响应上调基因中富含PHR1直接靶标基因,与PHR1调控基因中同样富含防卫基因一致。响应低磷酸盐和微生物入侵的差异表达基因中含有SA、JA通路标记基因和植物免疫系统输出相关基因,PHR1在免疫系统的转录水平调控中发挥了显著作用[14]。在植物防御反应中,phr1;phl1突变体PSR水平下降会引发其相关基因转录水平发生变化,最终增强植物的免疫功能。因此,微生物引发PSR的PHR1直接负调控植物免疫系统[14]

    • 缺磷条件下,植物差异表达基因中的PSR标记基因多数为PHR1靶定基因,微生物入侵引发的植物PSR会促使PHR1活性增强。phr1;phl1突变体引发的磷酸饥饿响应会严重降低,病原微生物入侵会引发防卫相关基因转录水平发生变化,增强植物的免疫功能[14]。微生物诱导的植物免疫响应受到抑制时,PHR1会直接激活微生物群体以增强植物的磷酸饥饿响应。因而,缺磷条件会促使根际微生物引发PHR1调控的植物PSR和免疫系统。

      SA激活基因在phr1;phl1突变体中的表达上调,与人工组合细菌微生物群体诱导phr1;phl1突变体植株的防卫基因强烈表达有明显的重叠效应,且部分SA激活基因为PHR1靶定基因,而SA是植物免疫系统的重要调控子[36],也影响了微生物群落的组分。模拟植物与细菌微生物互作所需的特定条件,利用鞭毛蛋白多肽 (flg22) 处理植物[41],分析野生型和phr1;phl1突变体植物的基因转录水平,发现phr1;phl1突变体中flg22响应基因的表达水平较高,进一步证实PHR1负调控flg22引发的免疫响应,根际微生物群落通过调控PHR1表达整合了植物免疫系统和磷胁迫调控的网络通道 (图3)。

      图  3  植物响应微生物入侵的作用通路

      Figure 3.  The pathways of plant in response to the invasion of microorganisms

    • 植物与根际微生物之间存在复杂的相互作用关系,植物种类、土壤类型和植物根系分泌物影响根际微生物的群落结构;植物关联微生物种群诱导缺磷植物发生PSR,并促使植物调整解决低有效磷的问题,而PSR的改变又会影响植物根部微生物群体结构。植物PSR发生所需的主要转录调控子PHR1可以直接负调控免疫系统成分,实验证明PHR1靶定基因参与了PSR相关过程和植物免疫系统表达调控的整合。

      植物免疫调节激素SA还会影响根部微生物群体的结构,这一现象的发生可能是SA利用自我平衡以控制免疫系统的输出来调控细菌群造成的;也可能是通过微生物间互作和对根部生理作用的某种影响造成的。目前,有关环境微生物对植物免疫系统的影响和磷胁迫响应的研究已有大量报道,但有关根际微生物整合免疫系统和磷酸盐胁迫响应的具体作用机制与通路却罕见报道。植物营养胁迫响应、免疫功能和微生物的聚集与维持间的协同合作将驱动利用微生物增加营养利用效率,为加快推进健康可持续农业发展提供理论基础,使农业生产系统向生物多样性水平更高、自我调节性机制更稳定的方向迈进。

参考文献 (41)

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