在一项新研究中，发表在《自然》杂志上的密歇根州立大学科学家展示了植物基因如何选择哪些微生物能在其叶内生存，以保持健康。这是首个展示植物健康与叶际微生物群落组装之间因果关系的研究。研究表明，从植物到动物，生物可能共享一种类似的策略来控制其微生物群。微生物群研究是人类健康科学中的热门话题。当科学家提到人类“肠道细菌”应该保持平衡时，他们指的是肠道微生物群，即生活在人类消化系统中的所有微生物的遗传物质。
“大规模植物微生物群研究领域仅约有十年历史，”研究的主要合著者、密歇根州立大学植物研究实验室成员和霍华德·休斯医学研究所研究员何胜阳说。“我们想知道植物是否需要一个适当的叶际微生物群。”在自然界中，植物受到无数微生物的轰炸。如果所有微生物都被允许在植物中生长，那可能会是一团糟。我们想知道微生物的数量和类型是否重要，是否存在完美的微生物组合。如果有，植物是否有一个遗传系统来容纳和培育正确的微生物群？
研究表明，植物确实有这种机制。新发现的机制涉及两个遗传网络。一个涉及植物免疫系统，另一个控制叶内水分水平。这两个网络共同作用，选择哪些微生物能在植物叶内生存。当我们从植物中移除这两个网络时，叶内微生物群的组成发生变化。细菌类型的数量和混合变得异常，我们的团队在植物中看到了组织损伤的症状。这些症状在概念上类似于人类炎症性肠病相关的症状。这可能是因为所涉及的基因在进化上是古老的。
这些基因存在于大多数植物中，其中一些甚至与动物免疫相关的基因有相似之处。
根据何实验室的科学家们的说法，这可能是首次正式描述植物界中的菌群失调相关疾病。事实上，它似乎在概念上与人类健康相似，这表明生命中存在一个基本过程。微生物群研究中难以找到因果关系的原因是因为在无数微生物中切断噪音实际上是不可能的。何实验室通过开发一种他们称之为无菌系统的无菌生长室来解决这个问题。这种环境用于在已知或排除所有微生物的情况下饲养生物。
“很少有人能在无菌、有机丰富的材料中种植无菌植物，”何说。“我们的系统使用基于泥炭的类似土壤的基质，基本上是温室盆栽土壤。我们使用热和压力杀死土壤中的所有细菌，植物可以在这种无菌条件下生长。”研究人员可以以受控方式将微生物引入这种环境中。“你可以添加一种、两种，甚至一个细菌群落，”何说。“在我们的研究中，我们从菌群失调或生病的植物中提取了一个细菌群落，并将其引入我们的健康植物中，反之亦然。
我们发现，微生物群组成和植物遗传系统都对植物健康至关重要。”
例如，具有缺陷遗传的植物无法利用从健康植物移植的微生物群。微生物群逐渐恢复到导致疾病的状态。另一方面，暴露于生病植物微生物群的健康植物也遭受了影响。尽管它有选择正确微生物的遗传工具，但微生物的可用性有限且异常。植物无法解决问题。研究表明，增加的微生物群多样性与植物健康相关。植物基因似乎是鼓励这种多样性的守门人。
研究中的生病植物每片叶子的微生物数量是健康植物的100倍。但种群多样性较低。为了找出原因，科学家们进行了成千上万的细菌一对一对决，以挑出哪些菌株具有攻击性。
在生病植物中，变形菌门菌株——其中许多对植物有害——从健康微生物群组成的三分之二跃升至异常种群的96%。而可能对植物有益的拟杆菌门菌株数量下降。“也许，当微生物群在生病植物中的数量异常增加时，微生物之间的物理距离太近了，”何说。
“突然间，它们争夺资源，而攻击性——在这种情况下有害——的微生物不幸获胜。健康植物似乎阻止了这种接管的发生。”这项研究再次证明了多样性对支持健康生命系统的重要性。每种微生物可能为植物带来不同的益处，如增加免疫力、压力耐受性或营养吸收。
像何这样的科学家希望能够操纵植物遗传系统来重新配置植物微生物群。植物可以更有效地选择其微生物伙伴，并体验到改善的植物健康、弹性和生产力。“我们的领域还很年轻，”何说。“微生物群研究往往集中在人类肠道细菌上。但更多的细菌生活在植物叶子上，地球的肺部。了解微生物如何影响自然生态系统和农田中叶际健康的健康将是非常美妙的。”