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

干旱、貧瘠，病原微生物多——這是生物演化過(guò)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(xì)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(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表上海科學(xué)家的最新研究成果，揭示了植物根系精準(zhǔn)識(shí)別共生微生物和病原微生物的“火眼金睛”的分子機(jī)制，繼續(xù)引領(lǐng)植物-微生物互作領(lǐng)域的研究。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究員是相關(guān)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(duì)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(gè)個(gè)小化肥廠，為大豆等豆科植物提供營(yíng)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(gè)微生物。” 1月22日上午，王二濤研究員說(shuō)，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(jìn)健康和生長(zhǎng)。還有一部分是病原微生物，對(duì)植物造成威脅。“1845-1850年，愛(ài)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(jìn)行良好地共生，對(duì)玉米、大豆等作物來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中的粗裂地錢(qián)。澎湃新聞 吳躍偉 圖

研究發(fā)現(xiàn)，早期陸生植物——粗裂地錢(qián)的細(xì)胞膜上有一雙這樣的“火眼金睛”。它們由成對(duì)的LysM類受體激酶—MpaLYR和MpaCERK1組成。前者識(shí)別土壤中來(lái)自微生物的信號(hào)分子，然后與后者形成蛋白復(fù)合體，進(jìn)而激活下游兩條不同的信號(hào)通路：免疫對(duì)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(biāo)志物，長(zhǎng)鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO7/8是病原真菌的分子標(biāo)志物。這些不同的殼聚糖分子如同化學(xué)信號(hào)，能讓“火眼金睛”作出不同的反應(yīng)，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(méi)人知道植物識(shí)別、區(qū)分共生和病原微生物的機(jī)制。

王二濤研究員介紹，從找到前述首個(gè)識(shí)別相關(guān)病原微生物的植物細(xì)胞基因，到像拼圖一樣一步步揭開(kāi)其識(shí)別機(jī)制的謎底，他們實(shí)驗(yàn)室花了12年。目前，全球數(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)室都在聚焦這一研究領(lǐng)域。

植物釋放激素，招募“益生菌”來(lái)建“化肥廠”

在這一最新發(fā)表的研究中，選擇粗裂地錢(qián)進(jìn)行研究，也是很巧妙的設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)室里，粗裂地錢(qián)的根卷曲著，生長(zhǎng)在白色的無(wú)菌培養(yǎng)基中，然后添加特定的微生物，再進(jìn)行檢測(cè)。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究員

王二濤研究員介紹說(shuō)，粗裂地錢(qián)是生物演化過(guò)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(jiǎn)單，LysM受體數(shù)量少，還能與真菌共生，成為理想的研究對(duì)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(xué)功能存在冗余，為研究植物如何精準(zhǔn)區(qū)分共生或病原微生物的機(jī)制帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，在粗裂地錢(qián)中發(fā)現(xiàn)，可以指導(dǎo)對(duì)被子植物等高等植物的研究和應(yīng)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(qián)會(huì)主動(dòng)釋放一種化學(xué)物質(zhì)，“招募”有益的共生微生物。這種名為獨(dú)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(biāo)志物短鏈幾丁質(zhì)殼聚糖CO4/5。這些CO4/5分子被粗裂地錢(qián)細(xì)胞表面的“火眼金睛”識(shí)別后，激發(fā)共生反應(yīng)，抑制免疫反應(yīng)，促進(jìn)植物通過(guò)菌根共生進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)攝取，又保證對(duì)病原微生物的免疫抵抗，從而維持共生與免疫的動(dòng)態(tài)平衡。

粗裂地錢(qián)（Marchantia paleacea），圖源：中國(guó)植物圖像庫(kù)

研究人員認(rèn)為，這一研究深化了人們對(duì)植物-微生物互作機(jī)制的理解，揭示了植物在早期登陸的過(guò)程中，如何通過(guò)LysM受體的功能優(yōu)化，為植物早期適應(yīng)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(chǔ)。

而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，通過(guò)增強(qiáng)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(duì)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(qiáng)植物與菌根真菌的互作，有望推動(dòng)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展，實(shí)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(jī)制后，未來(lái)期待能促進(jìn)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(hào)”包含OsCERK1DY優(yōu)良等位變異，可以少施化肥，達(dá)到減碳增效的效果。

前述最新發(fā)表的研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、新基石研究員項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)項(xiàng)目以及騰訊科學(xué)探索獎(jiǎng)的資助。