你知道種子的力量，但你知道種子內(nèi)微生物的力量嗎？
一粒健康種子必然包含健康的種子微生物群落，正如健康的人有健康的腸道微生物一樣。種子微生物群系可能會(huì)世代遺傳并能動(dòng)態(tài)地影響其種子萌發(fā)、植物表以及其存活能力。因此，優(yōu)化作物的微生物區(qū)系可能對(duì)植物育種和作物改良等具有深遠(yuǎn)的影響。
種子微生物群系
植物內(nèi)生微生物群系（Plant internal microbiome）是一個(gè)由細(xì)菌、真菌等組成的復(fù)雜群體。近年來，關(guān)于微生物群系對(duì)人類幸福和健康具有深遠(yuǎn)影響已基本成為共識(shí)，其對(duì)植物生長(zhǎng)和生存的重要性也逐漸被廣泛接受。土壤和根際中的細(xì)菌和真菌受到大量的關(guān)注，它們被植物根系召集而后進(jìn)一步作為植物內(nèi)生菌在植物體內(nèi)繁殖?；旧纤兄参锲鞴俣急话l(fā)現(xiàn)存在微生物群系。
事實(shí)上，植物種子微生物群系（Seed microbiome）可能更加重要，因?yàn)樗鼈兛赡茉缭谥参镎偌寥牢⑸镏熬蜑橹参锏捻樌L(zhǎng)提供了基礎(chǔ)。關(guān)于種子微生物群系的研究不多，其構(gòu)成也不像土壤中那么復(fù)雜。它們可能與植物共同進(jìn)化，并為植物生存提供重要支撐。植物的性狀和進(jìn)化可能由植物和微生物群系共同決定，因?yàn)槲⑸锏幕蚩赡軙?huì)編入植物染色體基因。種子微生物群系一般由母代通過種子遺傳而來，因此它們可能可以在干燥的環(huán)境以及植物儲(chǔ)藏的環(huán)境下生存。來自種子內(nèi)部遺留的植物內(nèi)生菌對(duì)植物生長(zhǎng)和健康有促進(jìn)作用，這在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要的實(shí)踐價(jià)值。因?yàn)榉N子微生物可以免受土壤微生物的競(jìng)爭(zhēng)作用，并且在早期就與植物組織進(jìn)行直接接觸。
種子微生物垂直遺傳
植物微生物群系可以調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)性狀，這也說明植物育種在植物微生物群系的協(xié)助下可以獲得最佳的植物表型?！癆 New Approach to ModifyPlant Microbiomes and Traits by Introducing Bene?cial Bacteria at Floweringinto Progeny Seeds”（Front. Microbiol. 8:11. doi: 10.3389/fmicb.2017.00011）。這篇文章于2017年1月發(fā)表在Froniters in Micrbiology雜志上，是奧地利國(guó)家技術(shù)研究院（AIT, Austrian Institute ofTechnology）Angela Sessitsch教授團(tuán)隊(duì)的研究成果。研究者使用的細(xì)菌材料為Paraburkholderia phytofirmans PsJN，其能很好地促進(jìn)植物生長(zhǎng)，并且在大量具有不同遺傳背景的植物內(nèi)很好的定殖，能增強(qiáng)谷物和蔬菜等植物的生長(zhǎng)和抗逆能力。關(guān)于菌株P(guān)sJN與宿主植物之間互作分子機(jī)制也有大量工作基礎(chǔ)。有證據(jù)表明PsJN對(duì)宿主植物的影響（至少是有一部分），是通過改變宿主植物的基因表達(dá) 。此外，菌株P(guān)sJN本身在植物內(nèi)部也非?；钴S，其基因組中超過60%的基因在土豆中定殖期間表達(dá)，并且在宿主植物應(yīng)答干旱脅迫時(shí)，其基因表達(dá)發(fā)生了改變。在擬南芥中PsJN表達(dá)的基因與鐵的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，因此增強(qiáng)了宿主植物鐵的吸收和累積。
EndoSeedTM垂直遺傳方法體系
該研究闡述了一種將外源微生物PsJN引入種子的方法（EndoSeedTM），通過設(shè)定步驟改變植物性狀和微生物群系。主要包括以下幾個(gè)步驟：1）在種子形成前將微生物物種引入母代植株；2）微生物隨后定殖進(jìn)入種子；3）種子發(fā)芽后微生物物種開始在子代的植物組織中繁殖和傳播。
圖1 將有益菌引入植株種子的方法說明(A-D)。(A)對(duì)植株花朵噴灑菌懸液(B)細(xì)菌植入花朵并定植到種子(C)收集成熟種子，內(nèi)生菌在種子貯存期間存活(D)發(fā)芽過程中內(nèi)生菌增殖并因此定植到子代植株中。植入Paraburkholderia phytofirmans PsJN：：gusA的成熟玉米高亮顯微鏡圖像(E-G)。藍(lán)色是由于gusA對(duì)細(xì)菌細(xì)胞著色。
菌株P(guān)sJN可被垂直遺傳到子代種子中
在此研究中，科學(xué)家們展示了菌株P(guān)sJN可被垂直遺傳到玉米、小麥、大豆以及辣椒多種作物的種子中。在PsJN植入的玉米種子貯藏12個(gè)月后，依然發(fā)現(xiàn)每克有100個(gè)存活細(xì)胞表明細(xì)菌在種子中能夠穩(wěn)定存在。借助各種顯微觀察技術(shù)，研究者確定菌株P(guān)sJN存在于種胚中（圖2），并通過Taqman探針量化了菌株P(guān)sJN在種子中的細(xì)胞數(shù)量。
圖2 P. phytofirmans PsJN（黃色）與其他細(xì)菌出現(xiàn)在胚芽中（A-C），在對(duì)照組中未檢測(cè)到P. phytofirmans PsJN(D)。
花期接種有益菌對(duì)種子微生物群系的影響
緊接著研究了在田間條件下花期接種有益菌對(duì)種子微生物群系的影響。種子成熟期，研究者發(fā)現(xiàn)92%的小麥植株在花期噴灑菌懸液后成功被PsJN植入。種子細(xì)菌群落由變形菌支配，分別在對(duì)照組和PsJN組OTUS中占92%和90%。雖然物種豐度和多樣性（圖3A）并未被菌株植入春小麥所影響，但擴(kuò)增結(jié)果顯示其對(duì)群落結(jié)構(gòu)有明顯影響（圖3B）。處理組出現(xiàn)的不同主要大量出現(xiàn)在某些組別中（圖3C）。除了預(yù)期的因引入PsJN而增加的β-變形菌的增加（對(duì)照組4%，處理組39%），在PsJN定植種子中出現(xiàn)黃桿菌更豐富的情況，反而是α-變形菌的OTUs因?yàn)镻sJN的植入減少了（圖3C）。對(duì)照組種子中黃桿菌含量不足0.4%但在PsJN組種子中上升到了6%，α-變形菌含量從對(duì)照組的67%下降到PsJN組的39%（圖3C）。
圖3 基于16s RNA基因V5-V7片段分析植入PsJN以及對(duì)照組的小麥種子內(nèi)生群落。處理組與對(duì)照組的alpha多樣性差異不顯著(A)，但群落構(gòu)成明顯不同 (B)，并且部分OUT豐度差異顯著(C)。
種子微生物群系改變對(duì)作物性狀的影響
調(diào)節(jié)種子微生物群系的一個(gè)重要目的之一就是提升期望農(nóng)業(yè)性狀，比如增強(qiáng)后代植株的生長(zhǎng)。研究者發(fā)現(xiàn)溫室試驗(yàn)中植入PsJN的植株在穗狀花序首先出現(xiàn)的時(shí)間上出現(xiàn)了顯著的不同，平均比對(duì)照組早5天（圖4A）。田間試驗(yàn)的結(jié)果類似。由于抽穗時(shí)間早，播種94天后（花期末期），田間單位面積穗數(shù)顯著高于對(duì)照組（圖4B）。這一結(jié)果并不意外，因?yàn)榫關(guān)sJN可以加快許多宿主的成熟并導(dǎo)致提前成花。這種現(xiàn)象表明接種菌株對(duì)宿主植株行為具有直接影響，不過，這不能完全排除群落轉(zhuǎn)變引起的間接作用，因?yàn)橹参锝M織中的PsJN細(xì)胞數(shù)量太少（每克幾百個(gè)基因組）。
圖4 由植入PsJN的種子與對(duì)照組種子發(fā)育而來的小麥植株間抽穗次數(shù)差異。（A）顯示抽穗時(shí)間差異，（B）PsJN組具有每平方米顯著較高的穗數(shù)（n=722）相比于對(duì)照組（n=644）。所有被測(cè)植株都是F1代，由噴灑菌懸液以及對(duì)照液體的母代植株繁育而來。
結(jié)語(yǔ)
傳遞植物有益微生物群系的方法為植物繁育開辟了一條新的道路，因其可以在一代內(nèi)引入新的性狀而無需基因操縱，并且可以設(shè)計(jì)特異性策略傳遞細(xì)菌以突破目前作物生產(chǎn)中的瓶頸。不過在實(shí)踐過后，研究者發(fā)現(xiàn)這一方法本身還存在很多缺陷。盡管如此，此嘗試對(duì)植物育種和種子工程將具有廣泛的影響。
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