北卡罗来纳州达勒姆——谈到微生物群时，许多人首先想到的是体内的数万亿微生物，它们在消化和心理健康等方面发挥着重要作用。
然而，植物的表面和内部同样存在着微生物的世界。越来越多的研究表明，这些隐秘的居民在促进植物健康方面起着至关重要的作用，部分原因在于它们帮助植物的免疫系统识别需要攻击的细菌和需要容忍的细菌。
一项新研究发现，生活在拟南芥这种细长植物叶片内的微生物群落受到破坏，可能会影响植物区分无害和有害入侵者的能力，从而使植物的防御机制失效。
杜克大学的生物学教授何盛洋表示，这些发现可能为保护我们的食物供应提供新的方法。
实际上，联合国粮食及农业组织估计，农作物病原体每年给全球经济造成约2200亿美元的损失。
这项研究于9月6日发表在《自然植物》杂志上。
在这项研究中，何教授和他的同事们，包括第一作者、博士后研究员程宇提，寻找与植物微生物群平衡相关的基因时，发现了一些异常现象。
他们发现，TIP1基因突变的植物叶片中存在过量的无害细菌，但这些植物也表现出其他令人困惑的症状。
首先，与野生同类相比，它们的个头较小，发育缓慢，叶片上出现死斑，这通常是植物对抗感染的表现，即使没有“坏”细菌存在。
程宇提认为这些症状表明免疫系统出现了问题，当植物的防御系统启动时，即使没有真正的威胁，也会攻击健康组织。
研究人员发现，携带tip1突变的植物即使未受到攻击，细胞中也会出现多个防御基因，表明它们的免疫系统处于过度活跃状态。
“植物仍然具备保护自己的能力，”程说。她补充道，它们只是失去了区分微生物朋友和敌人的能力。
当这一过程出现问题时，原本“好”的细菌会导致免疫系统过度反应。
“宿主将自己误认为敌人，”程说。
起初，研究人员不确定是什么导致植物免疫系统的故障，但他们想知道失衡的叶片微生物群是否是问题的部分原因。
为了验证这一假设，他们使用贺建奎实验室开发的无菌生长系统，在有微生物和无微生物的条件下种植拟南芥幼苗。
果然，当tip1突变植物在无微生物的环境中生长时，它们的自身免疫问题几乎消失。
研究人员表示：“那是我们发现的关键时刻。”
人体微生物群失衡所引发的健康问题在医学上已有广泛研究。例如，肠道微生物群的变化与克罗恩病、1型糖尿病和多发性硬化症等自身免疫性疾病相关。
但程宇提表示，这些新发现，加上何实验室在2020年和2023年发表的两项研究，首次在植物中揭示了微生物群失衡与自身免疫之间的联系。
这种联系的分子机制尚不明确。TIP1基因编码一种名为s-酰基转移酶的酶，当新物种从旧物种分支时，其遗传密码基本保持不变，这意味着它可能在维持其他物种微生物群平衡方面发挥作用。
下一步，研究人员将试图确定s-酰基转移酶结合的分子或物质，以及其作用机制。
程说，这些细节可能最终为支持或重置微生物群的益生元铺平道路，“帮助植物保持更好的平衡”，减少病原体或腐败造成的粮食作物损失。
“我们掌握的知识越多，能够使用的工具就越多，”她说。
这项研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会、霍华德休斯医学研究所和美国国立卫生研究院(1R01AI155441)的支持。
引用本文:《微生物群在拟南芥叶片自身免疫中的作用》，Cheng Yu Ti, Caitlin A. Thireault, Li Zhang, Bradley C. Paasch, Reza Sohrabi, He Sheng Yang。《自然植物》，2024年9月6日。DOI: 10.1038 / s41477 - 024 - 01779 - 9。
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