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昆明植物所与南科大合作发现种子释放苯甲醛招募益生菌群
作者: 更新时间: 2024-04-16
化合物是植物与外界环境进行信息交流的重要媒介。中国科学院昆明植物研究所种子分子生态学研究组聚焦于研究植物在种子阶段使用的各种信息化合物。该研究组曾报道种子可以感受野火烟气中的丁香醛，并受其刺激而启动种子萌发，从而在野火之后迅速实现种群更新(Cao et al.,2022;Cao et al,2023;许宏力等,2024)。近期，种子分子生态学研究组又联合南方科技大学合作伙伴发现水稻种子在萌发过程中可以释放苯甲醛，并以该化合物为信号，招募促进幼苗生长的益生细菌。
植物终其一生都难以脱离环境中的微生物，许多植物都会积极地塑造自身周边的微生物环境。然而，植物在其生活史周期的什么阶段开始具备这种自主塑造微生物环境的能力？这一直是个未解之谜。曹德昌研究组与夏雨研究组的联合工作发现水稻种子在吸胀三天之内即可改变周边的细菌群落构成。尽管土壤中有成千上万的细菌，然而并非所有的细菌都成比例地吸附到种子上。水稻种子在水稻田泥土中吸胀三天后，选择性地从土壤中招募一部分细菌，同时也驱离了一些细菌，在种子周围构建了与泥土中完全不同的细菌群落。不能启动萌发的种子则被截然不同的细菌群落包围。
水稻种子在萌发时招募的这些细菌可以促进幼苗生长。相比于细菌被完全杀灭的对照组，在泥土中萌发并构建自主细菌群落的种子所产生的幼苗可以实现更快更好的生长。
图1. 水稻种子萌发过程中可以招募促进幼苗生长的益生细菌。a)16S测序结果表明萌发的种子、未萌发的种子和萌发实验所用土壤具有截然不同的细菌群落组成；b)PCA分析可以量化表征萌发种子、未萌发种子和土壤的细菌群落差异；c)萌发的种子细菌群落具有最低的多样性，表明仅有部分土壤细菌被萌发的种子招募富集；d)宏基因组测序表明萌发种子和未萌发种子的细菌群落具有明显的差异。
通过高效液相色谱串联二级质谱(HPLC-MS-MS)分析技术发现水稻种子在萌发时会分泌一些特异性化合物，包括苯甲醛。进一步研究发现，苯甲醛可以模拟萌发种子招募细菌的行为。将浸吸苯甲醛的灭菌竹签置于泥土上，也可以模仿萌发的种子，构建类似的细菌群落。因此，萌发的水稻种子可以释放苯甲醛作为武器，主动出击土壤细菌，“一手拉一手打”，构建自主的细菌群落。
图2. 萌发的水稻种子释放苯甲醛，对周边菌群进行“一手拉一手打”的重构。a)萌发的种子向周围土壤分泌一些独特的代谢化合物;b)通过质谱分析检测到种子和土壤样品种具有功能多样、来源复杂的化合物；c)萌发的种子可以分泌苯甲醛，显著多于未萌发的种子；d)苯甲醛中浸湿的灭菌竹签可以模拟萌发的种子，构建与萌发种子周围类似的细菌群落。
该研究工作近日以Germinating rice seeds shape rhizospheric bacteria via releasing benzaldehyde为题，发表于传统植物学主流学术期刊Plant Physiology and Biochemistry。南方科技大学博士生赵碧溪和哈尔滨工业大学博士生颜玉玺为论文共同第一作者，种子分子生态学研究组组长曹德昌副研究员和南方科技大学夏雨副研究员为共同通讯作者。该工作得到了昆明植物所引进人才启动经费、云南省“兴滇英才”青年项目、国家自然科学基金、以及广东省环境健康与陆地资源重点实验室的支持。