自从4.5亿年前祖先的植物谱系在陆地上定居以来，微生物已经与健康植物的根相互作用并在其根部定居。植物直接整合微生物和环境信号可能是协调它们克服环境胁迫能力的关键。复杂微生物群落的根系定殖可以塑造寄主表型可塑性并保护植物免受疾病侵袭。今天小编为大家整理了4篇最近发表土壤微生物与植物互作研究案例，希望为各位老师有所帮助。
01
微生物促进植物在光照不足下的生长
标题：A microbiota–root–shoot circuit favours Arabidopsis growth over defence under suboptimal light
摘要：双向根冠信号可能是协调逆境反应和确保植物存活的关键。研究者证明了拟南芥对微生物根共生和光的响应是沿着微生物群-根-芽轴相互联系的。在无菌植物系统中的微生物群和光处理实验表明，叶片感知到的低光合有效辐射诱导了根部细菌群落的长距离调节，而不是真菌或卵菌群落的调节。反过来，微生物共生体缓解了植物在低光合有效辐射下的生长不足。与对照光条件相比，这种生长挽救与降低微生物群诱导的地上防御反应和改变对叶面病原菌的抗性有关。对一组拟南芥突变体的研究表明，这种依赖微生物群和光的生长防御权衡直接由地下细菌群落组成阐明，并需要宿主转录调控因子MYC2。结果表明，植物的地上胁迫反应可以被来自微生物根共生体的信号所调节。
图1.低光合有效辐射（LP）介导的根系微生物群组装调控
02
宏基因组学解析植物与根际微生物在干旱下的互作机制
标题：Genome-resolved metagenomics reveals role of iron metabolism in drought-induced rhizosphere microbiome dynamics
摘要：最近的研究表明，干旱会导致根部微生物群发生剧烈的、高度保守的转变。目前，这些响应背后的分子机制在很大程度上仍不清楚。在本研究中，研究者使用基因组解析宏基因组学（genome-resolved metagenomics）和比较基因组学来证明碳水化合物和次生代谢物运输功能在干旱富集的类群中被过度表达，揭示了细菌铁的运输和代谢功能与干旱加剧高度相关。利用时间序列的根RNA-Seq数据，证明了干旱胁迫影响了根内的铁稳态，植物铁载体铁转运蛋白的丧失影响了微生物群落组成，导致了放线菌(Actinobacteria)的显著增加。最后，研究发现，外源铁的施用破坏了干旱诱导的放线菌的富集，以及干旱胁迫期间放线菌对寄主表型的改善。总而言之，结果表明，铁代谢与根部微生物群对干旱的反应有关，并可能为提高植物抗旱性和粮食安全提供信息。
图2.铁、干旱与根系微生物群相互作用的模型
03
玉米杂种优势依赖于土壤微生物
标题：Microbe-dependent heterosis in maize
摘要：杂交种几乎占了所有商业种植的玉米品种和许多其他作物的品种，因为这些物种的自交系之间的杂交产生的第一代[F1]后代比它们的双亲表现要好得多。这种现象背后的机制，被称为杂种优势或杂种优势，尽管经过一个多世纪的深入研究，但仍未被很好地理解。主要的假说集中在数量遗传机制(显性、超显性和上位性)和分子机制(基因剂量和转录调控)上，然而，微生物在杂种优势中的潜在作用在很大程度上被忽视了。在本研究中，研究结果表明玉米根系生物量和其他性状的杂种优势强烈地依赖于地下微生物环境。在某些情况下，自交系在无菌条件下的表现与它们的F1后代一样好，但通过接种一个由7个细菌菌株组成的简单群落，可以恢复杂种优势。在生长室中接种高压灭菌和活土壤浆液的幼苗，以及在田间蒸煮或熏蒸土壤中生长的植物与未经处理的土壤接种的植物，都有相同的模式。然而，在不同的田间地点，土壤蒸腾增强了杂种优势，这表明影响的方向取决于群落组成、环境或两者兼而有之。总之，结果证明了土壤微生物对自交系和杂交玉米早期生长的不同影响的生态现象。
图3.在实验1中，玉米粒生长在用磷酸盐缓冲液(PBS)处理的的煅烧粘土中，加入或不加入107 CFU/mL的7个细菌菌株的合成群落(SynCom)。不育条件降低(a,c)根生物量的杂种优势强度，但不降低(b,d)茎生物量的杂种优势。
04
地上和地下生物多样性共同收紧了农业草原的磷循环
标题：Above- and belowground biodiversity jointly tighten the P cycle in agricultural grasslands
摘要：实验表明，生物多样性增加了草原生产力和养分开发，潜在地减少了化肥需求。加强生物多样性可以提高草原的磷利用效率，这是有益的，因为岩石衍生的磷肥预计在未来将变得稀缺。在生物多样性实验中表明，与多样性较低的植物群落相比，多样性较多的植物群落能够更全面地开发磷资源。研究发现，更大的地上和地下(菌根真菌)生物多样性有助于收紧农业草原的磷循环，因为管理强度的降低和相关生物多样性的增加促进了磷资源的开发。结果表明，促进地上和地下高度的生物多样性具有生态(生物多样性保护)和经济(节省化肥)效益。对于农民和生物多样性来说，这种双赢的局面对于说服农民相信生物多样性的好处，从而抵消全球生物多样性的丧失至关重要。
图4.生物多样性对磷循环的作用。图(A)生物多样性实验，图(B)农业草原。生物多样性包括植物和丛枝菌根真菌(AMF)物种丰富度。
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参考文献：
[1] Hou S, Thiergart T, Vannier N, et al. A microbiota–root–shoot circuit favours Arabidopsis growth over defence under suboptimal light[J]. Nature Plants, 2021: 1-15.
[2] Xu L, Dong Z, Chiniquy D, et al. Genome-resolved metagenomics reveals role of iron metabolism in drought-induced rhizosphere microbiome dynamics[J]. Nature communications, 2021, 12(1): 1-17.
[3] Wagner M R, Tang C, Salvato F, et al. Microbe-dependent heterosis in maize[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(30).
[4] Oelmann Y, Lange M, Leimer S, et al. Above-and belowground biodiversity jointly tighten the P cycle in agricultural grasslands[J]. Nature Communications, 2021, 12(1): 1-9.
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