植物根部微生物定植可以塑造其表型并保護植物免受病害侵襲。與動物中的“腸道微生物-免疫”軸相似，研究報道發現植物中也存在“根際微生物-免疫”軸。2021年7月5日，德國馬普植物育種研究所Stéphane Hacquard團隊在Nature plants（IF=15.793）雜志發表了題為A microbiota-root-shoot circuit favours Arabidopsis growth over defence under suboptimal light的文章，研究利用系統生物學手段發現當光照條件不理想時，地下對微生物的反應和地上植物對光的反應沿著微生物-根-芽回路整合，以犧牲部分防御為代價進行植物生長補償調控。
【研究材料】
野生型和突變型擬南芥；
人工合成根系微生物群落：183種細菌，24種真菌，7種卵菌。
【實驗分組】
弱光 + 不同微生物條件（無菌，細菌、真菌和卵菌）
充足光 + 不同微生物條件（無菌，細菌、真菌和卵菌）
【技術方法】
根際微生物16S rDNA / ITS測序，植株部分轉錄組測序
技術路線
1. 弱光條件下比較無菌和微生物定植的擬南芥生長情況
2. 利用16S rRNA 和ITS 測序技術探究不同光照條件對擬南芥根部微生物群落組成的影響；
3.利用植株轉錄組測序技術探究發現弱光條件下微生物誘導的擬南芥生長拯救是以犧牲部分防御為代價；
4. MYC2在弱光條件下微生物誘導的生長補償優于防御中發揮關鍵作用。
主要研究結果
1. 不同光照條件對擬南芥根部微生物群落組成的影響 為了明確光照對植物根部微生物群落構成是否有影響，研究人員利用16S和 ITS 測序技術檢測了充足光照和弱光下根部微生物（人工合成根系微生物群落）的組成情況，發現菌群組成發生顯著變化。地上弱光應激可以通過“根-芽”軸影響根部微生物的群落組成。 圖1 弱光條件對擬南芥根部微生物組成的影響 2. 弱光條件下微生物誘導的擬南芥生長拯救是以犧牲部分防御為代價的 研究人員對不同光照條件 （弱光條件和充足光照條件） 和不同微生物條件 （無菌和接種人工合成菌群） 下的植物地上地下部分分別進行轉錄組學分析。他們發現與充足光照相比，弱光條件下微生物定植引起的免疫應答相關基因表達顯著下調，表明光照引起的微生物變化在植物的防御中發揮一定的作用。同時，研究人員通過葉片病原菌接種發現，根部定植微生物的擬南芥在弱光條件下對病害的防御能力相比要顯著下調（與充足光條件下相比）。 圖2 不同光照和不同微生物定植對根部和地上部分轉錄組水平的影響 3. 利用擬南芥突變體及支持向量網絡分析進一步揭示根系微生物的群落構成與弱光條件下犧牲防御為代價的生長拯救相關 研究人員基于植物生長與防御的權衡調控網絡篩選了不同的擬南芥突變體，分析了它們的根部微生物群落的組成，發現弱光環境下根部的微生物群落與植物的生長呈正相關。其中轉錄因子 MYC2 的存在對于在弱光條件下調控植物生長與防御至關重要。 圖3 野生型和突變型擬南芥冠狀大小在不同光照和不同微生物定植下的比例變化 為了進一步探究哪些細菌與弱光下的生長拯救最為相關，研究人員利用支持向量網絡分析并利用該模型構建了3種不同的菌落，通過實驗驗證發現183種細菌中的67種菌株在生長拯救中發揮關鍵作用。 圖4 細菌菌落組成與弱光條件下生長補償的關系 4. MYC2在弱光條件下微生物誘導的生長補償發揮關鍵作用 上文擬南芥突變體結果顯示MYC2突變體可以顯著影響弱光條件下微生物介導的生長補償，為了進一步探究MYC的作用，研究者利用MYC-flag融合蛋白進行功能拯救實驗，通過轉錄組測序及功能富集分析表明，微生物和光照通過MYC依賴的方式調控碳代謝以權衡生長和防御。 小結 中科優品推薦 【中科新生命】可提供土壤/根際微生物組-植株脅迫應激多組學系統解決方案，包括16s/ITS、宏基因組、土壤代謝組、植物代謝組、脂質組、轉錄組、蛋白質組、磷酸化修飾、泛素化修飾組等多種檢測產品、多組學聯合實驗方案設計及生信分析，歡迎咨詢。
圖5 根系微生物誘導強弱光照下生長防御權衡模型
與動物中的“腸-靶器官”軸相似，植物根際微生物具有與動物腸道微生物相似的功能，可以通過長距離的信號通路調控地上部分的應激反應。本研究對于利用地下微生物影響植物地上部分的脅迫響應具有重要的應用價值，對農作物生產具有重要的指導意義。