这些细菌能让植物保持健康

普林斯顿大学的工程师表明，某些类型的土壤细菌可以影响植物的生长和防御平衡。这种细菌产生一种酶，可以降低植物的免疫活性，使植物的根比正常情况下长得更长。

　　

为了保持健康，植物需要平衡它们用于生长的能量和它们用来抵御有害细菌的能量。这种平衡背后的机制在很大程度上仍然是个谜。

现在，普林斯顿大学的工程师们在一个意想不到的地方找到了答案：聚集在植物根部周围的无害（有时是有益的）细菌。

在12月24日发表在《细胞报告》杂志上的一篇文章中，研究人员表明，某些类型的土壤细菌可以影响植物的生长和防御平衡。这种细菌产生一种酶，可以降低植物的免疫活性，使植物的根比正常情况下长得更长。

化学和生物工程助理教授、资深研究作者乔纳森·康威（Jonathan Conway）说：“这是在试图解决一个真正重大的生物学问题，但目前还没有很好的答案——微生物群是如何与宿主免疫系统相互作用的。”“这是朝着试图了解微生物如何一直生活在宿主（植物、人类或其他动物）身上，并且不会不断激活我们的免疫反应的方向迈出的一小步。”

为了寻找具有免疫平衡功能的细菌，康威的研究小组转向了一些经过改造的植物，这些植物对一种蛋白质的免疫反应增强，这种蛋白质构成了线状的附属物，称为鞭毛，使细菌能够游泳。构成鞭毛的蛋白质，被称为鞭毛蛋白，是从植物到人类宿主的免疫反应的有力触发器。

研究人员培育了拟南芥的幼苗——一种通常用于植物研究的芥菜科的小植物——来自一个经过改造的品系，该品系在其根部产生高水平的鞭毛蛋白感应免疫受体。当幼苗生长在含有鞭毛蛋白片段的培养皿上时，它们的根又短又粗，因为它们的能量更多地用于免疫而不是生长。

该实验包括在培养皿中培养有鞭毛蛋白的幼苗，以及从土壤种植的拟南芥根系中分离出的165种不同细菌，其中68种（占41%）通过抑制植物的免疫力，使其根系长得更长，从而抑制了生长迟缓的反应。

其中一种使根生长得最好的细菌是日本痢疾菌。先前的研究表明，这种物种的免疫调节活动依赖于细菌分泌系统——一种蛋白质复合物，它可以将物质从细菌细胞中移出，进入环境，包括植物细胞内部或植物细胞之间的空间。

对粳稻基因组的扫描揭示了一种编码一种被称为枯草酶的分泌酶的基因，这种酶具有将鞭毛蛋白切成小块并阻止其激活免疫反应的潜在能力。

该团队使用遗传和生化方法证明，枯草酶确实能够降解触发免疫反应的鞭毛蛋白的特定片段。降解足以抑制免疫反应，并允许增加拟南芥幼苗的生长。

该论文的第一作者之一、康威实验室的博士后助理研究员塞缪尔·伊士曼（Samuel Eastman）说，研究人员在试图纯化枯草酶时遇到了一些障碍。获得纯蛋白质对于在试管中明确证明酶的功能至关重要。

2023年，伊士曼在罗德岛州普罗维登斯举行的一次会议上展示了该项目的海报，伊利诺斯州皮奥里亚市美国农业部农业研究服务处的化学家托德·诺曼（Todd Naumann）找到了他。诺曼说，他的经验表明，这种酶可以从酵母细胞中纯化，而不是从细菌中纯化。

几个月后，诺曼提纯了这种蛋白质，并把它运到了普林斯顿。伊士曼说：“现在我们可以用它做化学反应，我们实际上可以在体外观察它。”“我们能够对这种蛋白质进行一定程度的研究，如果没有这种合作，这是不可能的。”

除了伊士曼和康威之外，诺曼和其他八名普林斯顿大学的研究人员共同撰写了这篇论文。康威说，筛选和验证165种细菌分离物的过程是一个漫长的团队努力，六名本科生参与了这项工作和其他方面的工作。布里特利·琼斯（Britley Jones）是普林斯顿大学2023届的一名学生，作为她毕业论文的一部分，她在筛选细菌收集物方面发挥了关键作用。

伊士曼与博士后助理蒋婷和Kaeli Ficco共同撰写了这篇论文，Kaeli Ficco是普林斯顿大学2024届毕业生，现在是康奈尔大学的博士生。作为她论文的一部分，Ficco帮助设计突变菌株，证明了免疫抑制中枯草酶基因的遗传需求，并自己开发了一些实验方法。

Ficco说道：“我非常喜欢这个基于发现的项目。“这绝对影响了我从普林斯顿毕业后的人生轨迹。”现在，她开始研究人体微生物组对免疫的调节。

除了分析粳稻产生的特定酶外，研究小组还发现，在许多常见的土壤细菌中也发现了类似的基因，他们的分析表明，数十种细菌分离物可以抑制鞭毛蛋白诱导的免疫。

现在，他们想更好地了解为什么这些酶可能对细菌和它们的植物宿主都有利。一种假设是，切断病原体的鞭毛可以防止它们移动和入侵植物的根部。

“因此，通过这种方式，它可以抑制病原体和植物免疫系统，”伊士曼说。另一种假设是，这些酶“抑制了免疫系统，因此病原体可能不会被发现，从而导致更多的疾病。”

后一种情况在利用这一现象来改善农业环境中的生长方面存在问题，因为它可能使植物更容易受到疾病的侵害。因此，需要更多的研究，伊士曼说。

“我们不想损害免疫系统，但我们也希望植物在重要的时候保留这种免疫反应，”他说。“我们希望他们保持冷静，继续成长。”