陕西
植物及其相关微生物在复杂、多变且难以预测的环境中生存并进行相互作用，这种作用通常以多维度、多尺度、多层次的交互方式发生关联，从而带来了随机性与确定性、连续性与离散性共存的挑战。深入理解这些互作机制有助于推动开发复杂体系中的数据挖掘方法，建立涉及不同时空尺度和功能属性的系统耦合模型，甚至是信息和信息交互的通用理论。
微生物天然产物又称次级代谢产物，是指由微生物（如细菌或真菌）产生的天然化合物。这些化合物具有多样的结构和功能，常常表现出潜在的生物活性，对医药、农业和工业等领域具有重要的应用价值。
北京师范大学秦志伟课题组长期从事微生物天然产物的研究，近年来尝试从人参根际土壤微生物中分离鉴定出一株具有能够长生抗菌活性物质的链霉菌，并将其命名为Streptomyces ginsengnesis G7（以下简称G7），并从其发酵液中鉴定出了I型聚酮天然产物lydicamycin。该课题组随后对该家族天然产物的生物合成的化学机理 （Heqian Zhang et al, New Journal of Chemistry, 2023） 和调控机制 （Xuanlin Zhan et al, New Journal of Chemistry, 2024） 进行了相关的研究。
近日，秦志伟课题组在著名期刊Plant Physiology发表了题为“A Streptomyces species from the ginseng rhizosphere exhibits biocontrol potential”的研究论文，通过一种“闭环”模型来呈现植物-微生物相互作用系统，并阐述了微生物天然产物可能发挥的功能。
该研究中，课题组发现该菌株可以产生lydicamycin和其他目前化学结构未知的活性代谢物，分别发挥除杂草和抗作物真菌的双重功效。课题组首先根据G7或lydicamycin对杂草模式生物拟南芥Arabidopsis thaliana（以下简称AT）处理之后呈现出的显著表型变化（图1A），并结合多组学（转录组，蛋白组和代谢组）联合分析，初步判断G7或lydicamycin通过影响AT的生长素极性运输，从而抑制后者的生长。随后课题组通过显微镜观察，进一步确认了AT生长素运输受到抑制的主要原因是G7或lydicamycin对AT中的生长素极性转运蛋白PIN的分布造成了破坏。有趣的是，当处理AT时使用的lydicamycin浓度在50 μM左右时，AT会在靠近其根尖的部位产生一个具备基本主根功能的“新侧根”，初步推测该现象为AT抗逆的结果（图1B）。最后，为了验证G7可能作为一种潜在的生防菌，课题组又进行了更多的生理和活性测试，结果表明，G7或lydicamycin对雀麦、莎草等杂草，以及灰霉菌、禾谷镰孢菌、稻曲病菌、稻瘟病军等作物真菌，均具有良好的生长抑制作用，而对水稻等经济作物没有明显消极影响。
综上，该研究不仅为更好地理解复杂生态体系中的系统生物学提供了理论参考，也为从该体系中利用微生物及其天然产物资源、开发有效的生防菌和抗生素和除草剂等奠定了基础。 受该研究的启发，课题组目前正在开展的工作包括：人参根际土壤微生物的宏基因组分析，以及植物-微生物互作过程中基于深度学习的多助学联合分析，相关成果将另行发表。
链霉菌Streptomyces ginsengnesis G7对模式生物拟南芥Arabidopsis thaliana生长的影响
北京师范大学博士后黄家权、研究生李晓洁和詹萱琳，为该论文的共同第一作者，秦志伟研究员和张鹤千副教授为论文通讯作者。该研究受国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省重大人才工程项目，北京师范大学“青年英才”启动基金等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiae006
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