“植物的大腦在根里。”  1月22日上午，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員、中國科學院院士韓斌表示。

干旱、貧瘠，病原微生物多——這是生物演化過程中，從水生環(huán)境首次登陸的第一種植物所面臨的“窘境”：根所處的土壤中不僅有泥土、水分和空氣，還有大量的細菌、真菌等微生物。

那么，植物的根是如何辨別“敵友”，并抑制有害菌，招募“益生菌”的呢？

1月24日凌晨，國際頂尖學術期刊《細胞》（Cell）在線發(fā)表上海科學家的最新研究成果，揭示了植物根系精準識別共生微生物和病原微生物的“火眼金睛”的分子機制，繼續(xù)引領植物-微生物互作領域的研究。

中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤研究員是相關論文的通訊作者。王二濤研究組的博士生譚新行以及已出站博士后王大鵬作為共同第一作者。

一對蛋白造就一雙“火眼金睛”

根瘤菌與豆科植物共生，在其根部形成的根瘤，如同一個個小化肥廠，為大豆等豆科植物提供營養(yǎng)，這是微生物與植物互利工程的典型案例。

但土壤中不只有根瘤菌。

“1克土壤中有數(shù)億個微生物。” 1月22日上午，王二濤研究員說，其中，部分是能與植物根部共生的、有益的“益生菌”，如同人類的腸道菌群，可促進健康和生長。還有一部分是病原微生物，對植物造成威脅。“1845-1850年，愛爾蘭地區(qū)種植的馬鈴薯暴發(fā)一種病害——馬鈴薯晚疫病，造成了饑荒。”

與“益生菌”互利共生，是很多植物生存的策略，尤其是在貧瘠的土地上。能否招募到“益生菌”，進行良好地共生，對玉米、大豆等作物來說，不僅僅是高大茁壯與瘦弱矮小的區(qū)別，更有可能是生與死的差距。

生長在實驗室培養(yǎng)皿中的粗裂地錢。澎湃新聞 吳躍偉 圖

研究發(fā)現(xiàn)，早期陸生植物——粗裂地錢的細胞膜上有一雙這樣的“火眼金睛”。它們由成對的LysM類受體激酶—MpaLYR和MpaCERK1組成。前者識別土壤中來自微生物的信號分子，然后與后者形成蛋白復合體，進而激活下游兩條不同的信號通路：免疫對抗病原，或建立同盟，協(xié)作共生。

比如，短鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO4/5是共生微生物的分子標志物，長鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO7/8是病原真菌的分子標志物。這些不同的殼聚糖分子如同化學信號，能讓“火眼金睛”作出不同的反應，然后激活不同的下游通路。

譚新行博士向澎湃科技表示，此前，全世界沒人知道植物識別、區(qū)分共生和病原微生物的機制。

王二濤研究員介紹，從找到前述首個識別相關病原微生物的植物細胞基因，到像拼圖一樣一步步揭開其識別機制的謎底，他們實驗室花了12年。目前，全球數(shù)十個實驗室都在聚焦這一研究領域。

植物釋放激素，招募“益生菌”來建“化肥廠”

在這一最新發(fā)表的研究中，選擇粗裂地錢進行研究，也是很巧妙的設計。

實驗室里，粗裂地錢的根卷曲著，生長在白色的無菌培養(yǎng)基中，然后添加特定的微生物，再進行檢測。

中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤研究員

王二濤研究員介紹說，粗裂地錢是生物演化過程中，植物從水生環(huán)境登陸陸地的第一種植物，它的基因組結(jié)構(gòu)簡單，LysM受體數(shù)量少，還能與真菌共生，成為理想的研究對象。而高等植物如被子植物中LysM受體激酶的數(shù)量眾多，且這些受體之間的生物學功能存在冗余，為研究植物如何精準區(qū)分共生或病原微生物的機制帶來了諸多挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，在粗裂地錢中發(fā)現(xiàn)，可以指導對被子植物等高等植物的研究和應用。

更重要的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在土壤肥力低的條件下，比如低磷條件下，植物粗裂地錢會主動釋放一種化學物質(zhì)，“招募”有益的共生微生物。這種名為獨腳金內(nèi)酯（strigolactones）的激素，目前已發(fā)現(xiàn)上百種。這種激素能夠刺激菌根真菌，分泌大量的共生分子標志物短鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO4/5。這些CO4/5分子被粗裂地錢細胞表面的“火眼金睛”識別后，激發(fā)共生反應，抑制免疫反應，促進植物通過菌根共生進行營養(yǎng)攝取，又保證對病原微生物的免疫抵抗，從而維持共生與免疫的動態(tài)平衡。

粗裂地錢（Marchantia paleacea），圖源：中國植物圖像庫

研究人員認為，這一研究深化了人們對植物-微生物互作機制的理解，揭示了植物在早期登陸的過程中，如何通過LysM受體的功能優(yōu)化，為植物早期適應干旱、貧瘠，且充滿病原微生物挑戰(zhàn)的陸地環(huán)境奠定了基礎。

而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，通過增強植物與菌根真菌的互作，讓植物自建“化肥廠”，可顯著提高作物對土壤養(yǎng)分的吸收能力，尤其在低肥力土壤條件下表現(xiàn)尤為突出。此外，增強植物與菌根真菌的互作，有望推動生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)與糧食安全的雙贏。

王二濤研究員向澎湃科技表示，在研究清楚了大豆等豆科植物與根瘤菌的互利共生的互作機制后，未來期待能促進非豆科植物如小麥、玉米與土壤微生物的共生，讓農(nóng)作物更健康，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益。

王二濤研究員介紹，江西農(nóng)科院黃仁良研究員培育的菌根共生新型水稻新品種“贛菌稻1號”包含OsCERK1DY優(yōu)良等位變異，可以少施化肥，達到減碳增效的效果。

前述最新發(fā)表的研究得到了國家自然科學基金、新基石研究員項目、中國科學院B類先導項目以及騰訊科學探索獎的資助。