《Nature》铁元素影响植物的免疫力

索尔克大学的研究人员发现，植物通过消除铁缺乏的分子信号来控制铁缺乏，而不会帮助“坏”细菌茁壮成长，而且铁缺乏信号通路和植物免疫系统是紧密交织在一起的。他们的发现为提高植物在面对气候变化时的适应能力提供了一个新的目标，并为植物和动物微生物群提供了新的见解。

　　

植物和动物都依赖铁来生长和调节微生物群——细菌、真菌等共存于人类肠道或植物根部周围土壤中的微生物群。植物在获取铁元素时面临着一个特殊的挑战，因为植物用来增加铁元素利用率的策略改变了根系微生物群，并可能无意中有益于有害的土壤细菌。

现在，索尔克大学的科学家们已经发现了植物是如何在不帮助“坏”细菌繁殖的情况下控制铁缺乏的——通过消除IMA1，一种在有细菌攻击风险的根中铁缺乏的分子信号。此外，他们还发现，叶片中含有更多的IMA1可以使它们更能抵抗细菌的攻击，这表明缺铁信号通路和植物免疫系统是紧密交织在一起的。

研究结果发表在2024年1月10日的《Nature》杂志上。

“植物铁营养和细菌之间的关系由来已久，”索尔克植物利用计划(Salk’s Harnessing Plants Initiative)的教授和执行董事资深作者Wolfgang Busch说。“通过更细微的探索这种关系，我们发现了一种令人惊讶的新信号通路，植物用它来关闭铁的摄取，作为对抗威胁细菌的防御策略，这也恰好改变了植物的免疫反应。”

由于生物可利用铁(植物和动物可以利用的铁)是一种相对稀缺的营养物质，缺铁——以及由此导致的植物生长迟缓——并不罕见。由于停止生长并不理想，植物已经开发出了在低铁环境中促进铁吸收的技术。不幸的是，这些技术可以改变根部周围的整个微生物群，增加铁的可用性，不仅对植物，而且对生活在附近的有害细菌也是如此。

为了揭示植物健康、铁水平和细菌威胁之间的复杂关系，研究人员转向了一种名为拟南芥的小型模式植物。他们在低铁和高铁的生长基质(土壤)中种植这种植物，然后添加鞭毛碎片(细菌用来移动的小尾巴)来模拟细菌的存在。

“我们假设植物和细菌之间会有某种形式的铁竞争，”第一作者Min Cao说，他是Busch实验室的博士后研究员。“但我们发现，当植物感到受到有害细菌的威胁时，它们愿意停止获取铁并停止生长——它们会为了剥夺敌人而剥夺自己。”

当根在低铁环境中暴露在鞭毛下时，植物产生了意想不到的反应:植物和细菌之间没有发生预期的铁争夺战，而是通过消除缺铁信号IMA1，植物立即丧失了铁。当根在高铁环境中暴露于鞭毛时，IMA1不会被消除，但由于铁水平足够，因此不需要表达。

在那些因低铁和鞭毛而消除了IMA1的植物中，研究人员发现了另一个惊喜:IMA1越多，植物叶片对细菌攻击的抵抗力就越强。这一观察得出的结论是，铁的可用性和缺铁信号有助于协调植物的免疫反应。

Busch认为，IMA1可能是优化植物免疫的有用靶点，随着地球气候的持续变化和疾病的快速进化，这将变得越来越重要。发现植物在面对潜在的有害细菌时会停止铁的吸收并阻止它们的生长，这是一个关于植物恢复力、植物和动物微生物群以及气候变化的更长的故事的开始。

“微生物决定了土壤中碳的命运，所以揭示植物对土壤微环境的反应和影响可以教会我们很多关于优化植物碳储存的知识，”Busch说。“与此相关的是，了解植物在面对环境短缺(如缺铁)时如何调节信号和免疫反应，对于科学家在不断变化的气候中优化植物健康至关重要。”

未来，研究人员将探索靶向IMA1是否可以改变植物对疾病的抵抗力，以及植物根系中的单个细胞究竟如何关闭IMA1信号通路。了解植物的根可以让科学家了解其他吸收性组织，比如人类肠道，这样他们就能更好地了解哺乳动物微生物群、免疫系统和铁元素之间的相互作用，从而优化健康。

Spatial IMA regulation restricts root iron acquisition upon MAMP perception