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作物叶片上的健康微生物组能保护其免受病原体侵害
日期:2018-08-21 作者:编译:龚晶 来源:农科智库 点击:
     一项有关微生物群落如何影响植物叶片的新近研究表明,施肥可能会导致作物更易受植物病害威胁。
    加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的生物学研究人员发现,向番茄喷洒取自健康番茄的微生物能保护其免受致病菌的侵害,而喷洒前施肥则会抵消这种保护作用,在植物叶片上催生更多致病微生物。
    尽管研究人员尚不能确定叶片有害菌数量飙升是否会造成番茄病害,但研究清晰表明,肥料导致植物叶片微生物群落失衡,从而可能导致致病有机物进入植物体内。
    本研究第一作者、伯克利分校整合生物学副教授布里特·考斯科拉(Britt Koskella)指出,“改变植物所在的营养环境,就是根本改变植物——生物群系的相互作用方式,而更重要的是改变了由微生物群系调节保护的天然植物/调节作用。”
    考斯科拉指出,肥料的影响并不是本研究唯一一个让人意外的结论。考斯科拉与研究的共同作者研究生莫林·博格(Maureen Berg)一道研究了叶片微生物群落密度对植物抗病能力的影响,发现向叶片喷洒低剂量的有益菌往往比高剂量喷洒更能有效保护植物免受病害感染。博格喷洒的人造微生物群落包括从健康番茄天然微生物群系上获得的12种细菌。
    博格指出,“研究发现浓度最低、剂量最小的群落喷洒才是保护性最好的。这和直觉简直大相径庭。而中等剂量的保护性居中,高剂量保护性最差。”
植物益生菌
    尽管上述现象的原因尚不明确,但研究发现仍具有重要意义。如今有机农业都在探讨向作物喷洒益生菌,从而加速作物生长并抵御病害,这一过程类似于人服用含“有益”微生物的益生菌产品,希望能更健康。
    考斯科拉表示,“剂量越低/保护性越好的现象表明,施加过程不是微生物多多益善那么简单。仍有待后续大量研究揭示如何使用一种植物益生菌。”
    两位作者将于8月6日出版的纸质版《当代生物学》(Current Biology)期刊上发表该研究发现,文章将于7月26日刊于网络。
    考斯科拉研究的重点是至今人类仍知之甚少的植物地上部分的微生物群系,即叶围微生物,而非已经充分研究的根系相关地表以下微生物群系,即根围微生物。研究发现了叶围微生物的未知活动,如与根部细菌类似的空气固氮活动。多项研究均表明,根系微生物群落可促进植物的营养吸收和抵御病害,而考斯科拉在考证的便是植物地表微生物群系是否也有类似的作用。
    考斯科拉的研究实验恰恰切中向植物施加有益菌问题,而且有助回答下列疑问:哪些细菌组合才适合某种植物?最优组合的最佳施加方式又是什么?
    为了研究这些问题,考斯科拉和博格先对加利福尼亚大学戴维斯分校室外种植的健康番茄天然叶片微生物进行采样。
之后向伯克利分校种植箱中的无菌番茄植株喷洒采样群落,一周后再向叶片注入番茄斑点病致病菌丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)(抵御这一病害往往依赖农药)。实验证明,尽管不同区域的取样作用有所偏差,但新的微生物群落确实保护了植物免受病原体入侵。
    考斯科拉坦言,“叶围微生物群落就像我们的皮肤一样,是抵御病害的第一道防线,尽管尚不能确定,但我们预计会观察到其发挥保护作用。”
人造微生物群落
    令人意外的是,研究还通过调整向叶片喷洒的微生物浓度,发现低剂量喷洒保护作用好于高剂量。
    为一探究竟,两位研究人员人工合成了一个微生物群落,含12种源自天然植物的细菌品种——基本上是细菌培养中繁殖生长最好的12种。研究人员向番茄喷洒不同剂量的合成群落,获得了一致的实验结果:相比大剂量、高浓度的喷淋,低剂量、稀释的喷淋更能有效保护植株免受假单胞菌侵害。
    博格重复了实验,希望确认这些看似莫名其妙的发现,但在随后的实验中博格决定先给萎蔫的植株施肥。在该实验中,任何微生物群系剂量都未能抵御假单胞菌。而无施肥重复实验则再次印证了结论:施肥破坏了之前实验当中观察到的保护效果。
    考斯科拉猜测肥料之所以会改变微生物群系,最有可能是因为肥料让叶片更健康,从而充分供养了所有微生物,因此也就不再需要有益微生物竞争驱逐有害微生物了。考斯科拉及其团队目前正在进行有关实验,希望能验证这一假说。
    研究人员目前仍然不知道低剂量益生菌更能有效保护植物的原因,但希望后续研究能破解这一难题,推动指导益生菌在农业中的合理应用。
    在每组实验当中,研究人员都会记录假单胞菌与其他有益微生物的数量比,从而判断植物对病原体的抵御能力,因为一个健康的微生物群系应该能够与病原体有效竞争,并削减病原体数量到较低水平。
    尽管如此,考斯科拉和博格仍然表示,肥料对植物叶片茎秆微生物群系的影响应能指引生物学研究者去探索肥料对根围微生物群系的影响以及对植物总体健康状况的作用。
    考斯科拉坦承,“作物施肥的历史由来已久,但让我意外的是,我们并未看到长期施肥究竟如何影响植物及其微生物群落的相互作用。很多研究都显示,人工栽培种植的植物往往具有与其野生近缘种迥异的微生物群落。”
    重要的问题是:微生物群落不同是否会影响植物的整体健康状况,及其背后的原因何在?
(来源:加利福尼亚大学伯克利分校  北京市农林科学院农业信息与经济研究所报道)
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