植物学大牛Cell发表最新成果

长期以来，科学家们认为，免疫系统的唯一作用是区分敌友，并抵御病原体。事实上，在植物中它更像是一个微生物管理系统，当需要时也涉及调节植物的有益微生物。最近，来自德国马克斯普朗克植物育种研究所的研究人员与其他实验室，在模式植物拟南芥和真菌炭疽菌之间发现了这种关系。相关研究结果发表在最近的《Cell》杂志。

　　

生物通报道：长期以来，科学家们认为，免疫系统的唯一作用是区分敌友，并抵御病原体。事实上，在植物中它更像是一个微生物管理系统，当需要时也涉及调节植物的有益微生物。最近，来自德国马克斯普朗克植物育种研究所的研究人员与其他实验室组成的一个国际财团，在模式植物拟南芥和真菌炭疽菌（Colletotrichum tofieldiae）之间发现了这种关系。当需要时，植物会忍受真菌，帮助它们从土壤中获得可溶性磷，如果它可以自己完成这项任务时就会拒绝微生物。相关研究结果发表在最近的《Cell》杂志。

只有在土壤中获得了可溶性磷酸盐，植物才可以生长和繁荣。如果没有其他生物的帮助，它们就不能使用结合磷酸盐。因此，大多数植物保留菌根——它们根系周围的一种真菌网，给它们提供重要土壤养分，交换通过光合作用产生的碳水化合物。

拟南芥是少数没有菌根的植物之一。相反，这个物种与土壤真菌Colletotrichum tofieldiae之间有一种有益的关系。这种真菌寄生在拟南芥根系，并生活在根细胞之内和之间。它将土壤中的不溶性磷酸盐转化为可溶性磷酸盐，并通过真菌网向其宿主释放生长所需的营养物。马克斯普朗克研究所的所长Paul Schulze-Lefert指出：“拟南芥和炭疽病菌之间的良性互动给了我们一个惊喜，因为这个真菌家族作为一种病原菌几乎处处发生。仅在玉米中，这种真菌的一个近缘种引起的作物损失，就可达数十亿美元。因此我们想知道，为什么Colletotrichum tofieldiae不会伤害十字花科植物？”

Schulze-Lefert教授主要从事植物对真菌病害天然免疫分子机制的研究，是该研究领域的大牛。由于在该领域的卓越贡献，他分别被Cell, Nature, EMBO Journal, Plant Cell, Proceedings of the National Academy of Sciences of USA, Plant Journal, Plant Physiology等一系列高水平杂志聘为审稿专家，同时是多家大学、研究机构的荣誉教授并任职于多家学术团体。相关阅读：两位植物学牛人发2篇Nature文章 聚焦微生物组。

去年12月份，他带领的研究小组，与瑞士的科学家一起，将模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）叶片和根中发现的细菌，培育出了超过一半。这一研究成果，标志着使用定义微生物组的植物微生物生态学开启了一个新时代。相关研究结果发表在最近的《Nature》杂志（植物学大牛Nature：植物微生物组新成果）。

免疫系统适应磷酸盐供应
因为Schulze-Lefert和同事们从西班牙中部高原的一株拟南芥中分离了一种真菌，这种真菌不发生在其他地区生长的拟南芥植物中，他们怀疑，从一开始这种共生关系就跟当地的环境有关。他们指出，在中部高原的土壤中，很少有水溶性磷酸盐存在。马克斯普朗克研究所的科学家表明，一个完整的先天免疫系统是共生关系所必需的，并在植物不能靠其自身获得足够的土壤磷酸盐时，允许真菌定居在植物根系。然而，如果磷酸盐是丰富的，植物就会产生一个巨大的免疫反应。这是一个非常有规则的系统。因此，只有在特定情况下，一个敌人才被得以识别。这是一种全新的免疫系统。”

科学家们还能够指出，涉及哪些过程。一个过程被称为“磷酸盐饥饿响应”，通过该过程，植物可感知到土壤中磷酸盐的可用性，并将此信息传递给一个加速或减缓植物生长的电路。如果可溶性磷酸盐变得稀缺，营养传感系统与植物免疫系统的一个分支进行沟通，来适应寄居在根部内的真菌。免疫系统的这一分支，指导着芥末油苷的合成。这些化合物是芸苔属植物（包括拟南芥、油菜、芥菜、山葵）又辣又苦的原因。Schulze-Lefert和他的同事们发现，在缺乏合成途径的情况下，C. tofieldiae成为危及拟南芥生命的一种病原体。

Schulze-Lefert说：“十字花科植物，通过将其免疫系统与磷酸盐可用性感知器联系起来，控制着其与寄生微生物的相互作用。这是一个巧妙的解决方案，将免疫系统的作用扩展为，确保营养不良条件下的外部供应。这在植物王国中一直没有被观察到。”

对一种植物来说是帮手，对另一种植物来说是病原体
接下来，马克斯普朗克研究所的研究人员希望澄清，哪些分子介导营养传感和免疫系统之间的沟通，这一决策过程是如何组织的。在芸薹属中，唯一不合成芥子油苷的物种是荠菜，不能耐受真菌。对于荠菜来说，C. tofieldiae是一种致命的病原体。显然，缺乏芥子油苷的合成途径意味着，缺少一种有益共存关系的分子基础。

在另一层意义上，这些调查结果也很值得关注。健康的植物上定植有细菌群落，这些菌落具有可繁殖的成分，从而在真菌寄主的选择上似乎选择性较少。这就好像是，个别真菌物种在植物中的存在纯粹意外，因为没有明显的模式。Schulze-Lefert说：“现在，我们已经表明，我们偶然发现的炭疽菌属真菌，并不是偶然就寄居在植物中。它把阿拉伯芥作为失踪菌根真菌的一个替代品。如果没有炭疽菌，植物在低磷土壤中就会有非常可怜的生存机会。双方的共存对于合作双方是有益的，但要以正确的条件为准。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Root Endophyte Colletotrichum tofieldiae Confers Plant Fitness Benefits that Are Phosphate Status Dependent
Summary：A staggering diversity of endophytic fungi associate with healthy plants in nature, but it is usually unclear whether these represent stochastic encounters or provide host fitness benefits. Although most characterized species of the fungal genus Colletotrichum are destructive pathogens, we show here that C. tofieldiae (Ct) is an endemic endophyte in natural Arabidopsis thaliana populations in central Spain. Colonization by Ct initiates in roots but can also spread systemically into shoots. Ct transfers the macronutrient phosphorus to shoots, promotes plant growth, and increases fertility only under phosphorus-deficient conditions, a nutrient status that might have facilitated the transition from pathogenic to beneficial lifestyles. The host’s phosphate starvation response (PSR) system controls Ct root colonization and is needed for plant growth promotion (PGP). PGP also requires PEN2-dependent indole glucosinolate metabolism, a component of innate immune responses, indicating a functional link between innate immunity and the PSR system during beneficial interactions with Ct.