离让更多植物自建“化肥厂”又近了一步？植物精准辨“敌友”的秘密初解

“1克土壤中有数十亿个微生物。” 其中，部分是能与植物根部共生的有益菌，还有一部分是病原微生物，对植物造成威胁。那么，植物的根是如何辨别“敌友”，并抑制有害菌，招募“益生菌”的？(03:05)

“植物的大脑在根里。” 1月22日上午，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员、中国科学院院士韩斌表示。

干旱、贫瘠，病原微生物多——这是生物演化过程中，从水生环境首次登陆的第一种植物所面临的“窘境”：根所处的土壤中不仅有泥土、水分和空气，还有大量的细菌、真菌等微生物。

那么，植物的根是如何辨别“敌友”，并抑制有害菌，招募“益生菌”的呢？

1月24日凌晨，国际顶尖学术期刊《细胞》（Cell）在线发表上海科学家的最新研究成果，揭示了植物根系精准识别共生微生物和病原微生物的“火眼金睛”的分子机制，继续引领植物-微生物互作领域的研究。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员是相关论文的通讯作者。王二涛研究组的博士生谭新行以及已出站博士后王大鹏作为共同第一作者。

一对蛋白造就一双“火眼金睛”

根瘤菌与豆科植物共生，在其根部形成的根瘤，如同一个个小化肥厂，为大豆等豆科植物提供营养，这是微生物与植物互利工程的典型案例。

但土壤中不只有根瘤菌。

“1克土壤中有数亿个微生物。” 1月22日上午，王二涛研究员说，其中，部分是能与植物根部共生的、有益的“益生菌”，如同人类的肠道菌群，可促进健康和生长。还有一部分是病原微生物，对植物造成威胁。“1845-1850年，爱尔兰地区种植的马铃薯暴发一种病害——马铃薯晚疫病，造成了饥荒。”

与“益生菌”互利共生，是很多植物生存的策略，尤其是在贫瘠的土地上。能否招募到“益生菌”，进行良好地共生，对玉米、大豆等作物来说，不仅仅是高大茁壮与瘦弱矮小的区别，更有可能是生与死的差距。

生长在实验室培养皿中的粗裂地钱。澎湃新闻 吴跃伟 图

研究发现，早期陆生植物——粗裂地钱的细胞膜上有一双这样的“火眼金睛”。它们由成对的LysM类受体激酶—MpaLYR和MpaCERK1组成。前者识别土壤中来自微生物的信号分子，然后与后者形成蛋白复合体，进而激活下游两条不同的信号通路：免疫对抗病原，或建立同盟，协作共生。

比如，短链几丁质壳聚糖CO4/5是共生微生物的分子标志物，长链几丁质壳聚糖CO7/8是病原真菌的分子标志物。这些不同的壳聚糖分子如同化学信号，能让“火眼金睛”作出不同的反应，然后激活不同的下游通路。

谭新行博士向澎湃科技表示，此前，全世界没人知道植物识别、区分共生和病原微生物的机制。

王二涛研究员介绍，从找到前述首个识别相关病原微生物的植物细胞基因，到像拼图一样一步步揭开其识别机制的谜底，他们实验室花了12年。目前，全球数十个实验室都在聚焦这一研究领域。

植物释放激素，招募“益生菌”来建“化肥厂”

在这一最新发表的研究中，选择粗裂地钱进行研究，也是很巧妙的设计。

实验室里，粗裂地钱的根卷曲着，生长在白色的无菌培养基中，然后添加特定的微生物，再进行检测。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员

王二涛研究员介绍说，粗裂地钱是生物演化过程中，植物从水生环境登陆陆地的第一种植物，它的基因组结构简单，LysM受体数量少，还能与真菌共生，成为理想的研究对象。而高等植物如被子植物中LysM受体激酶的数量众多，且这些受体之间的生物学功能存在冗余，为研究植物如何精准区分共生或病原微生物的机制带来了诸多挑战。

现在，在粗裂地钱中发现，可以指导对被子植物等高等植物的研究和应用。

更重要的是，研究人员还发现，在土壤肥力低的条件下，比如低磷条件下，植物粗裂地钱会主动释放一种化学物质，“招募”有益的共生微生物。这种名为独脚金内酯（strigolactones）的激素，目前已发现上百种。这种激素能够刺激菌根真菌，分泌大量的共生分子标志物短链几丁质壳聚糖CO4/5。这些CO4/5分子被粗裂地钱细胞表面的“火眼金睛”识别后，激发共生反应，抑制免疫反应，促进植物通过菌根共生进行营养摄取，又保证对病原微生物的免疫抵抗，从而维持共生与免疫的动态平衡。

粗裂地钱（Marchantia paleacea），图源：中国植物图像库

研究人员认为，这一研究深化了人们对植物-微生物互作机制的理解，揭示了植物在早期登陆的过程中，如何通过LysM受体的功能优化，为植物早期适应干旱、贫瘠，且充满病原微生物挑战的陆地环境奠定了基础。

而在农业生产方面，通过增强植物与菌根真菌的互作，让植物自建“化肥厂”，可显著提高作物对土壤养分的吸收能力，尤其在低肥力土壤条件下表现尤为突出。此外，增强植物与菌根真菌的互作，有望推动生态农业发展，实现生态农业与粮食安全的双赢。

王二涛研究员向澎湃科技表示，在研究清楚了大豆等豆科植物与根瘤菌的互利共生的互作机制后，未来期待能促进非豆科植物如小麦、玉米与土壤微生物的共生，让农作物更健康，提高农业生产的效益。

王二涛研究员介绍，江西农科院黄仁良研究员培育的菌根共生新型水稻新品种“赣菌稻1号”包含OsCERK1DY优良等位变异，可以少施化肥，达到减碳增效的效果。

前述最新发表的研究得到了国家自然科学基金、新基石研究员项目、中国科学院B类先导项目以及腾讯科学探索奖的资助。