Science | 研究揭示经历过胁迫的微生物群有利于改善宿主植物的抗逆性！

以下文章来源于Ad植物微生物 ，作者周小马

通过将环境推向新的极端并将生物暴露在前所未有的胁迫之下，人为变化正在威胁生物多样性和生态系统服务。微生物的大量多样性和悠久的进化历史提供了生物创新的源泉，有可能减轻胁迫和增加生态系统的恢复力。

2023年5月25日，国际顶级学术期刊Science发表了美国威斯康星大学麦迪逊分校Richard A. Lankau团队的最新相关研究成果，题为Shifting microbial communities can enhance tree tolerance to changing climates的研究论文。同时，发表了题为Past microbial stress benefits tree resilience的观点论文进行点评。科研人员报道当微生物以前经历过这种胁迫（干旱或过热或寒冷）时，土壤微生物可以缓解气候胁迫并提高树木的存活率。科研人员还表明，在自然界种植3 年后，仍然可以在树根中检测到接种的微生物，包括有益的菌根真菌。这些结果表明，土壤微生物群的管理，尤其是在恢复期间，可以为提高森林对气候变化的恢复力提供有价值的策略。

微生物群落是全球健康、运转良好的环境的基础。土壤微生物群支持生态系统服务，包括直接和通过与植物相互作用的养分循环、分解和碳封存。植物拥有各种真菌和原核生物（细菌和古细菌）的组合，它们生活在根、叶、茎和花的表面和内部。它们可以帮助植物抵御干旱、高盐度、极热和极冷、低营养、重金属污染和其他具有挑战性的条件。例如，土壤中菌根真菌的菌丝网络可以获取根际以外的水分和养分，以交换光合碳，从而提高真菌和植物的适应性。随着所面临的胁迫不断升级，植物必须找到在不断变化的环境中坚持或追踪可生存条件以避免灭绝的方法。微生物群可以改善原位胁迫源或范围扩展期间遇到的新胁迫。

科研人员在威斯康星州和伊利诺伊州的 12 个地点，在田间和温室中种植了预先接种了受胁迫土壤微生物群的树木3 年，并评估了树木的存活、生长和根际真菌组成。他们证明，经历过气候胁迫（寒冷、炎热或干燥条件）的土壤微生物群在这些特定条件下能够更好地促进树木存活。如果微生物群的胁迫遗留增强了它们在这种胁迫下促进树木健康的能力是一种普遍现象，那么这将提供一种方法来预测微生物群何时会促进气候恢复力并选择“正确的”接种用于恢复、管理和可持续农业。胁迫遗留效应在其他系统中得到支持，其中只有经历过盐胁迫的微生物群才能改善红树林的盐胁迫。此外，胁迫遗留的重要性强调不同的栖息地拥有不同的微生物群落，这些微生物群落在这些栖息地条件下最大化利益，这与“一切无处不在”的格言相矛盾。这突出表明需要考虑微生物群将如何随着气候变化而迁移，以及生态系统健康是否需要积极管理微生物群落。

向前推进的一个关键问题是胁迫如何启动根际微生物群以改善寄主植物的特定胁迫。一是胁迫环境选择了不同的相互作用的真菌和原核生物群，这些真菌和原核生物支持特定于胁迫源的功能益处，但当人类迅速改变胁迫状态时，这些功能益处就不存在了。另一个非相互排斥的解释是，微生物对胁迫条件的局部适应对于微生物维持产生和分享利益所需的自身代谢和生理功能至关重要。此外，本地微生物群和接种引入的微生物群之间的新相互作用可能会改善整体群落功能。例如，来自接种的耐胁迫微生物可以通过替代对胁迫敏感的物种来提供本地微生物群健康所需的资源，或者水平基因转移可以在本地微生物群内传播抗胁迫适应性。未来的宏基因组学和宏转录组学研究，最好包括单细胞测序，对于区分这三种可能的机制以及确定胁迫如何引发微生物群落功能和动态的变化将很有价值。

值得注意的是，科研人员发现接种的微生物在 3 年后仍然可以在树的根部检测到。接种微生物群落的特性及其对寄主植物的影响多年来得以保留，这表明在重新植被期间对植物进行预接种是恢复微生物群落和功能的可行途径。然而，这也引起了人们的关注，因为从植物中意外引入微生物很可能很常见，即使是经过仔细考虑的幼苗或土壤接种也可能导致意想不到的后果。例如，种植园中微生物的寿命可以促进新物种的传播，从而取代本土微生物多样性，而引进微生物和本土微生物之间的水平基因转移可以迅速重塑当地群落的遗传变异。

有趣的是，在模拟不断扩大的森林范围边缘的北部地点，科研人员发现没有任何一种微生物群能优化经历冬季寒冷和夏季干旱的树木生存。相比之下，该地点的树木仅经历过寒冷胁迫，却受益于经历过寒冷的微生物接种。这表明多维胁迫可以破坏微生物胁迫遗留的积极影响。同样，最近对土壤微生物群的研究表明，增加人为胁迫源的数量会破坏土壤微生物的多功能性，并可能产生协同的负面影响，这是无法从个体胁迫源效应中预测的。尽管自然生态系统本质上在多个维度上都存在胁迫，但引入新的胁迫源或人为胁迫源的快速强化可能会通过对微生物功能产生特别强烈的冲突选择、拆除微生物群落内功能冗余的故障安全机制导致有影响的微生物流失。例如，构成土壤群落并提供重要生态系统功能的“基石微生物”可能对胁迫特别敏感。经历过胁迫的微生物组可以改善气候胁迫的发现为生态系统的恢复力带来了希望，但在对土壤微生物群落进行积极管理之前，需要对微生物在气候变化恢复力中的作用进行全面的基因到生态系统的理解。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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