前沿观点 | ISME Journal:整合植物间通讯和根际微生物动力学:生态和进化意义以及对实验严谨性的呼吁

2021
10/10

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微生态
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植物对空气中化学信号的感知可以触发其新陈代谢的重组,从而改变它们的生物互作。虽然植物与植物之间的化学交流主要是在引发对食草动物和病原体的防御背景下进行的,但最近的工作表明,它也可以影响植物与其根际微生物群落的相互作用。

导读     

植物对空气中化学信号的感知可以触发其新陈代谢的重组,从而改变它们的生物互作。虽然植物与植物之间的化学交流主要是在引发对食草动物和病原体的防御背景下进行的,但最近的工作表明,它也可以影响植物与其根际微生物群落的相互作用。

从这个角度来看,我们讨论了整合植物间通讯和微生物生态学领域以了解植物-微生物组相互作用的生态学的潜力。作为微生物生态学的介绍,我们强调了植物挥发性有机化合物 (volatile organic compound,VOC) 感知中基础知识的薄弱,并为避免困扰植物传播领域的常见实验错误提供建议。

最后,我们讨论了植物VOC构建根际微生物组的潜在影响,特别是对植物群落和进化动力学的影响。   随着研究的深入发现植物代谢与其微生物组之间的联系-从分子到群落规模,我们希望这一观点将为在这两个交叉领域工作的研究人员提供启示。  

Web results那不勒斯腓特烈二世大学

研究背景

  植物生物学中很少有主题像植物通过化学交流有关其不断变化的环境的信息的能力一样,引起学者的兴趣或争议。然而,虽然“会说话的树(   talking trees   )”现象现在已被广泛接受,但关于这些化学变化是如何发生、为什么会发生,以及它们如何影响生态过程,仍然存在许多疑问。有研究结果充分表明,植物释放出明显变化的挥发性有机化合物 (volatile organic compound,VOC) 香味,以应对食草动物和病原体的攻击。邻近的植物察觉到这些化学信号,并诱导或准备好自己的直接防御来对付即将到来的拮抗物。这些对相邻压力信号的反应在很大程度上被解释为“窃听”,这主要有利于信息接收者。然而,最近的研究发现,当接收到的临近植物是相关的,这种化学信息的交换也可以通过包容适应度使排放者受益,或者当信息交换促进在整个人群中更均匀分布时,通过风险分担使排放者受益。虽然这些研究表明,拮抗剂可以作为诱导VOCs释放的途径,但关于VOC介导的植物通讯潜在机制和生态相关性仍存在许多问题。     虽然植物间的通讯研究一直聚焦于VOCs在触发对特定食草动物和病原体的反应方面的作用,但挥发性通讯在形成植物与微生物的互作方面也可能发挥更广泛的影响,这些相互作用主要在根际上发挥。有益微生物和致病微生物都是植物选择的强大代表,可以采用多种方式改变植物的表型。然而,植物多大程度上能够在功能上塑造自己的微生物群仍不清楚。已知根际微生物群落可被土壤中存在的植物激素和其他植物代谢物所改变,而这些分泌物又受VOCs介导的植物间通讯的影响。此外,植物相关微生物自身也会释放出多种多样的VOCs,这些VOCs可以直接影响植物或其他微生物的代谢。虽然已经证明植物和微生物释放的VOCs会影响植物对特定病原体的抗性,但它们对更广泛的植物相关微生物群落组成的影响却很少被研究。然而,对拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 的开创性研究表明,根际微生物群落可能受到植物对病原体的固有免疫反应的影响。    

最近的一项研究已经开始在植物间VOC的交流和根际微生物生态之间建立关联。研究人员认为,微生物诱导的叶片VOC排放可以重构邻近植物的根际微生物群 (图1A) 。在这个关键的实验中,研究者在一个密封的室内将生长在高压灭菌土壤中的番茄植物暴露于接种了常见植物根际促生菌 (plant-growthpromoting rhizobacterium,PGPR) 的同种植物中,解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)接触地上气流但不允许通过土壤连接。他们发现,这些植物的根际细菌群落与它们接触的接种植物的根际细菌群落更加相似。人们普遍认为,PGPRs通过调节植物的固有免疫来降低病原菌的压力,从而对植物的生长起到部分有益作用。然而,这是第一个表明PGPR介导的免疫引物可以通过挥发性植物间的交流传播到邻近植物的研究。

  通过一系列的实验,他们阐明了微生物诱导产生一种常见的植物挥发性有机化合物β-石竹烯(β-caryophyllene),作为根系分泌物变化的主要因素。   因此,他们不仅为根际研究的新机制提供了证明 (图1A),而且还确定了空气中植物-植物信息传递的假定机制,以及影响根际植物-微生物互作的植物代谢变化。然而,这项研究也突出了植物间通讯研究的一个关键缺点,以及我们对植物化学感知的机制理解的不足。在此基础上,我们提出了该领域应如何解决这些不足,并讨论了VOC介导的根际同步潜在的生态和进化意义。      

12301633821978133图 1 VOC介导的根际效应的生态和进化后果。(A) 微生物诱导的植物VOC通过植物代谢的变化(例如,水杨酸 (SA) 渗出)同步邻近植物的根际微生物群落。这些代谢和根际微生物效应可能通过改变微生物驱动的植物-土壤反馈 (plant-soil feedbacks,PSFs) 来影响植物群落动态。例如,SA驱动的根际群落变化可能会减少导致同种植物中负PSF的物种特异性病原体负荷(B)。相反,异种植物之间的根际均质化可能会增强PSFs(例如,如果相似的微生物群落趋于抑制,则会加剧负PSFs)(C)。相邻植物之间的根际均质化也可能导致微生物介导的性状局部同步,例如开花时间 (D)。本研究植物花的顺风植物同步(右),而逆风植物保持其微生物组和物候的变化(左)。这种同步可以减少植物种群内的表型变异,从而可能减少自然选择对这些性状起作用的机会。

 

Web results那不勒斯腓特烈二世大学

主要内容

  1. 为植物间VOC传播研究奠定坚实基础   由于实验设计的局限和我们对植物化学感知的理解不足,植物与植物之间的化学交流现象受到了怀疑。在本研究中,我们回顾了这些问题,为设计植物VOC暴露实验和使用机制提供了建议,突出当前在我们对VOC感知的基础知识的缺乏。     1.1 独立重复和现实的实验设计   由于缺乏适当的重复,早期的植物传播实验在科学界面临着广泛的质疑。然而,在已发表关于植物间通讯的研究中,先前指出这些实验设计失败的案例只在减少假重复发生率方面取得了一些成功。遗憾的是这项新研究也不例外。由于他们的关键实验采用了伪重复设计 (显然每个处理的四个重复都在同一个室内测试,如图2A所示),本研究实际上不能排除根际微生物群落之间的相似性可能是由简单室内效应引起。具有真正独立重复的实验对于VOC介导的交流研究尤其重要,其中室内效应预计会很高。这些类型的实验中的独立重复可以通过在单个室内配对重复供体和受体来完成(图 2B)。在微生物实验中,室内污染是一个额外的因素,很容易导致与计划的处理无关的室内效应。假重复的另一个常见来源(在实验室和田间实验中都很常见)是多个植物暴露于同一个供体。虽然假重复已被广泛认为是植物间通讯研究中的一个问题,但最近人们对土壤微生物组研究中汇集的常见做法提出了类似的担忧。    

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图2 假重复(A)和独立重复(B)植物间VOC通信实验装置的比较。在探索处理对邻近植物中VOC诱导反应的影响的实验中,“受体”植物暴露于处理或未处理的对照“供体”植物在气流受控的封闭室中。在假重复设计 (A) 中,每个处理组的所有重复受体植物都暴露在同一室内,因此处理效果会被潜在的室内效果混淆。相比之下,在每个治疗组 (B) 内独立重复腔室允许研究人员将治疗效果与基于腔室的变化区分开来。

除了确保实验在统计上是合理的,研究人员还应该考虑设计的生态现实主义。   室内试验只适用于证明像Kong等人的概念研究,它们不反映农田或天然植物群落的复杂性。在密闭室实验中,来自排放器的植物VOC构建模型与自然环境相比,接收器经常暴露在不切实际的高剂量VOC中,在自然环境中,VOC在空气中自由扩散并与邻近植物排放的VOC相互作用。虽然可以在实验室室内控制影响VOCs扩散的环境变量,如温度和相对湿度,以反映自然野外条件,但室内实验通常不能准确地再现大气条件如湍流、紫外线辐射、与自然环境相关的潜在干扰VOCs的基础组成。在开阔的田野条件或室外的房屋 (在那里土壤微生物仍然可以很容易地操纵和取样) 进行这样的实验,可以帮助研究人员评估VOCs介导的交流在农业和/或自然环境中的相关性,并提出更广泛的生态和进化问题。       1.2 对VOC感知和下游对根际影响的机制理解   虽然空气中的植物激素衍生物可以被已知的受体感知,但植物间通讯中其他VOC的感知机制仍然不清楚。了解VOC感知的分子机制将极大地促进评估生态学,尤其是植物VOC介导的信息传递进化意义的研究。目前已经提出了植物感知VOC的三种基本机制:(a)通过VOC与特定受体结合的转导,(b)通过与细胞膜相互作用产生膜电位的转导,以及(c)VOC吸收和转化为相关化合物直接防守。这三种机制的证据有限,并且它们的相对重要性和它们之间信号整合的程度也是知之甚少。VOC受体或与VOC感知相关的其他特征的发现将为研究VOC介导的信息传递的生态功能开辟许多新途径,特别是在田间实验中,控制甚至估计实验植物暴露于环境中的情况极其困难。例如,研究人员可以产生VOC感知受损的突变体,在微进化研究中测量对这些特征的选择,或分析VOC感知和信号转导中种间变异的宏观进化模式。     β-石竹烯是一种常见的倍半萜烯类化合物,也是一种常见的植物挥发性物质,同时也是多种植物损伤相关的信号   。   先前关于植物间通讯的几项研究已将其与邻近植物代谢变化的诱导联系起来。虽然这些影响的确切机制仍然未知,   但在最近的研究中发现了一种转录调节因子,它与石竹烯衍生物强烈结合,并且可能作为受体发挥作用   。有趣的是,它属于TOPLESS转录抑制因子家族,它们是茉莉酸 (jasmonic acid,JA)、油菜素类固醇(brassinosteroid)和生长素植物激素途径的关键调节因子。     随着植物VOC感知机制越来越受到关注,VOC是如何与已建立防御相关的植物激素途径互作成为最紧迫的问题之一。例如JA和水杨酸 (salicylic acid,SA) 途径,以及VOC信号的感知和信号转导机制在植物物种中的保守程度。尤其是JA和SA途径涉及介导对病原体攻击的诱导反应。特别是在Kong的文章中,SA的参与有些令人惊讶,因为最近的其他工作发现,在拟南芥Arabidopsis thaliana和烟草Nicotiana tabacum中对β-石竹烯的反应在很大程度上独立于SA。在拟南芥中,对β-石竹烯的反应是JA依赖性的,而它似乎有小部分独立于普通烟草中的两种主要途径。仅测量根系分泌物中的植物激素水平,尚不能清楚他们观察到SA水平升高反映的内部激素滴度程度。即使这些结果可能表明诱导的防御反应,SA在根部也可能具有与其在植物防御中的作用无关的替代功能,例如溶解土壤养分或作为根际微生物的碳源。     虽然暴露于β-石竹烯的植物中SA的分泌增加很有趣,但作者没有提供直接证据表明这是观察到的对根际微生物组组成影响的机制   。先前的研究发现,渗透蛋白是一种在根中大量表达的蛋白质,它参与了病原体防御以及渗透调节β-石竹烯处理的诱导作用,为β-石竹烯对根际群落的影响提供了一种不依赖SA的替代机制。在这里,突变体可以是一个强大的工具来测试关于信号转导机制的假设。例如,SA和JA突变体已经被用来研究这些植物激素途径如何参与β-石竹烯和其他萜类化合物诱导的应答。如果涉及到SA,了解它是否主要作为一个(a) 功能是很重要的植物激素 (例如通过对植物免疫的影响) ,(b) 作为土壤微生物的碳源,或(c) 通过某些其他机制 (例如通过影响pH值) 。通过比较SA产生和感知受损的突变体,可以解开部分有关机制。未来应深入研究挥发性有机化合物感知引起根际微生物组成变化的机制和特异性。       1.3 根际变化功能分析   高通量测序的可及性极大地提高了我们描述微生物组分类变化的能力,但这些信息本身并不能告诉我们这些微生物变化的功能意义。例如,虽然VOC诱导的根际同步现象很有趣,但它具有生物学意义还不清楚。后续工作应通过测量与植物性能和适应性 (如生物量、种子产量) 或重要生态相互作用 (如病原体或草食动物抗性) 相关的性状,来研究植物VOC诱导的微生物群落变化如何影响宿主的生理和生态。这些根际群落变化的功能特征对于理解植物间通讯更广泛的生态学和进化意义是必要的。     2 VOC介导的免疫启动和根际同步的生态和进化意义   研究VOC引发的根际群落的重组,对于深入理解微生物如何影响植物生态和进化具有重要意义。   虽然这种现象是在简单环境下进行的单品系接种实验中发现的,但它在自然植物群落中的运行可能会对病害传播、植物群落和进化生态学产生深远的影响。     2.1 对疾病传播和植物群落动态的潜在影响  

越来越多的证据表明,与根际微生物的相互作用可以极大地影响植物的组装,主要通过植物-土壤反馈 (plant-soil feedbacks ,PSFs) 进行。当植物以促进 (正反馈) 或抑制 (负反馈) 在同一土壤中生长的其他植物 (同时或随后) 的方式调节土壤时,就会发生PSF。由于阴性PSFs被认为主要是由土壤中VOC介导的共享病原体的丰度驱动的,可假设免疫启动 (图1A) 通过增加受体植物的抗性来减少负PSFs (图1B) 。在研究水平方面,以VOC为媒介的交流可以通过根际广泛同步进入免疫启动状态,极大地改变疾病动态。先前的研究已经认识到诱导免疫可以构建根际微生物组以增加病原体抗性,模型表明空气免疫启动可以产生与植物中直接诱导防御不同的生态结果。与人们的直觉相反,一些流行病学模型表明,直接免疫启动可能导致具有部分免疫的个体增殖引起的循环种群动态。因此,即使对单个寄主植物有益,引物也可能导致病原菌增殖的增加。这些模型表明,不仅感染的成本,而且疗效、持续时间和启动成本都会影响病原体种群中作用的规模和频率。涉及多种病原体和宿主物种的系统可能会导致更复杂的动态。未来的理论和实证工作应该解决VOC介导的启动将如何改变这些过程的预期结果。

  虽然研究表明植物VOC可以使密切相关的物种(即一个番茄品种)的根际同步,类似的机制可以在更多遗传多样性甚至异种特异性的品种之间运行。为了开始理解VOC介导的根际效应的普遍性,未来的研究应该调查微生物诱导的VOC排放特异性和VOC诱导的植物物种和基因型以及各种微生物的根际成分变化。虽然预测PSF的结果是目前植物生态学中的一个挑战,但先前的研究表明,具有相似根际的植物物种更有可能通过负PSF抑制彼此的生长。因此,虽然根际同步可以反映宿主对微生物群落的控制增加(可能导致更多的正PSF),但也可以假设通过促进土壤微生物群落的均质化来加剧负PSF(图 1C)。同步化虽然可能给植物带来短暂的好处,但由于根际的同质化和种群中引发的部分免疫类型的增殖而产生更多的负面长期后果。需要进一步研究以确定哪些条件最有可能促进各个情景。     如果VOC介导的耐药性通过中断疾病传播来减少PSF,这可能是解释不稳定通信进化的一个主要新机制。虽然共享有关食草动物信息的好处似乎主要来自植物之间更均匀的损害分布,但有关病原体的交流或许有可能完全中断传播,因为它们的流动性较低,并且与宿主沟通选择的能力较弱。另一方面,理论模型预测,如上所述,部分免疫的传播实际上可能会增加疾病的患病率,因此每种情况的结果可能取决于病理系统的特殊性。  2.2 对植物进化动力学的潜在影响   除了对疾病动态的直接影响外,VOC介导的根际重组还可以通过改变对其他受微生物影响的植物性状的选择来影响植物进化。由于植物表型的许多方面都被微生物组修饰,同步根际群落的变化可以通过降低种群表型变异的整体水平来减少自然选择对这些性状起作用的概率。如研究所示,根际微生物可以影响植物次生代谢物的表达。如果通过非遗传机制增加抗性,则可以假设这种微生物介导的对代谢的影响会降低对植物防御性状的选择强度。开花时间是另一个生态和进化上重要的特征,它可以受到微生物相互作用的显著影响。因此,微生物同步可以导致物候同步(图 1D),改变与传粉媒介的相互作用,并可能通过防止生殖隔离来限制生态物种形成。或者,微生物效应可以通过将基因流集中在局部同步的补丁中来增强。由于土壤微生物群落可能在调节植物局部适应方面发挥重要作用,未来的研究应该探索VOC介导的根际效应如何影响植物进化动力学。  

结论

总之,植物VOC介导的根际同步是一个有趣的现象,具有许多潜在的重要生态和进化意义供研究人员探索。   

随着我们对植物VOC感知及其与根际整合的理解的增加,以及我们对微生物组在植物科学中重要性的认识迅速提高,我们相信 Kong 等人建立的关联将被大量验证。但是,随着研究的深入,我们应督促避免在植物间通信领域重复过去的错误,以确保该领域在坚实的基础上向前发展。      

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关键词:
ISME,严谨性,动力学,微生物,VOC,病原体,根际,通讯,观点,植物,生态,意义,群落,机制,研究,介导,土壤

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