Harnessing co-evolutionary interactions between plants and S

发布日期：2025-11-04 16:54 来源：Nature 作者：Hongwei Liu 浏览次数：

Harnessing co-evolutionary interactions between plants and Streptomyces to combat drought stress

利用植物与链霉菌的共进化互作抵御干旱胁迫

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01749-1

Streptomyces is a drought-tolerant bacterial genus in soils, which forms close associations with plants to provide host resilience to drought stress. Here we synthesize the emerging research that illuminates the multifaceted interactions of Streptomyces spp. in both plant and soil environments. It also explores the potential co-evolutionary relationship between plants and Streptomyces spp. to forge mutualistic relationships, providing drought tolerance to plants. We propose that further advancement in fundamental knowledge of eco-evolutionary interactions between plants and Streptomyces spp. is crucial and holds substantial promise for developing effective strategies to combat drought stress, ensuring sustainable agriculture and environmental sustainability in the face of climate change.

链霉菌属是放线菌门中最大的一个属，在所有生态系统中广泛分布，从干燥和寒冷的草地、灌木丛到湿润和热带森林，并存在于从土壤到动物肠道和植物等众多环境中。
在与植物相关的环境中，链霉菌属物种在根际、根表面和内部（内生区）、以及花蜜等部位繁盛，显示出每个部位内的高系统发育多样性，但在叶面和种子上的丰度较低。类似于真菌包围植物根系的菌丝状结构，链霉菌属物种能够形成广泛的网络覆盖植物根系，占据生态位，从而提高植物对环境胁迫的抵抗力。由于它们具有多种有益于植物的特性，链霉菌属物种被广泛用作农业中的生物防治剂和生物刺激剂。这些有益特性包括通过产生生物活性化合物对病原体产生拮抗效应，到提供植物激素吲哚-3-乙酸（IAA）、脱落酸（ABA）和1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶，这些物质调节植物非生物胁迫的抗性。
然而，链霉菌属物种在与植物建立互利共生关系方面的作用，特别是在帮助植物应对盐碱和干旱方面，进一步凸显了它们的重要性，而不仅仅是提供次级代谢物。并非所有的链霉菌属物种都是有益的；尽管极为罕见，但有些物种如S. scabies和S. turgidiscabies包含导致植物根部和块茎普通疮痂病的病原体，其致病因子包括植物毒素。
干旱是影响生态系统功能（包括初级生产力）最强烈的胁迫因素之一。预计在未来几年内，全球许多地区的干旱频率和强度将显著增加，这对生态系统构成了重大威胁。证据表明，干旱对与植物相关联的微生物群落的影响呈现出一种在不同宿主植物种类、不同地点和土壤中保守的模式。这表现为在干旱胁迫下或在降水量相对蒸发量减少的植物-土壤系统中，尤其是链霉菌属物种在内的革兰氏阳性细菌类群的富集。与其它微生物类群相比，链霉菌属具有较高的耐旱性，并能产生一系列代谢产物来提高植物对干旱的抗性。例如，链霉菌属物种提供了多种渗透调节剂、多糖、酶和植物激素，以帮助宿主植物在干旱条件下进行渗透调节。这种产生生物活性代谢物的能力对于它们的生态角色至关重要，使链霉菌属物种能够在资源和空间的竞争中与其他微生物竞争。总体而言，在宿主植物遭受非生物胁迫时，链霉菌属物种的富集突显了它们作为研究干旱条件下植物-微生物相互作用模型的潜力。

干旱诱导的植物相关链霉菌（Streptomyces spp.）定殖与互作模式的变化
干旱事件会改变链霉菌在植物和土壤中的丰度及其生理响应，显著影响植物生长和生态系统功能。链霉菌在植物中表现出组织特异性定殖，主要繁盛于根际、根系和花蜜中，而在叶片中较少见（过程1）。在干旱条件下，植物光合作用减弱，从根际吸收铁的能力下降，例如禾本科植物中由植物铁载体麦根酸（mugineic acid）外排蛋白（TOM1）介导的铁吸收显著减少。同时，干旱改变了根系分泌物谱，包括初级和次级代谢产物，并增强细胞质及胞内空间的活性氧（ROS）产生。这一胁迫反应激活了植物的ABA信号通路，ABA水平升高，诱导一系列适应性反应，如气孔关闭以减少蒸腾失水（过程2）。此外，链霉菌的肽聚糖细胞壁不仅能耐受干燥，还可能利用植物产生的甘油-3-磷酸（G3P）合成细胞壁，从而在根系中获得种群优势。这些条件共同促进了链霉菌在根际微生物组中的正向选择，这一现象已在多种植物中观察到（过程2）。干旱引起的植物-微生物动态变化可能显著影响植物未来对干旱的响应，而重新灌溉可迅速使微生物组恢复至类似正常浇水的状态（过程3）。在干旱条件下，C4植物根系中链霉菌的积累量通常高于C3植物，这一策略性响应可能与C4植物更强的耐旱耐热性存在进化关联（过程4）

链霉菌工程化促进农业生产与生态系统功能
鉴于链霉菌在干旱胁迫下与植物长期共进化所展现的巨大潜在益处，新兴研究方向正试图利用这一关系，在水分亏缺时期提升作物的抗逆性与生产力。其中一条途径是使用“益生元”（prebiotics），选择性促进链霉菌在根系的富集，从而可能增强植株的耐旱性。可将植物根系分泌的关键信号分子——如链霉菌细胞结构所需的 L-谷氨酸和甘油-3-磷酸（G3P）——作为益生元，在播种前或同时施入田间，实现干旱来临前或初期的可编程式链霉菌增富。作物生育期、物种类型及既往干旱史均会影响益生元效果。

另一策略是直接向植株接种链霉菌孢子与菌丝：这些菌株可能已与植物在干旱环境中共同进化，更适应干旱并能在根际长期存活。选择性育种或借助 CRISPR/Cas9 的靶向宏基因组编辑，也是调控微生物组结构的诱人选项，但仍需实证验证。可将链霉菌孢子或菌丝包被于二氧化硅纳米颗粒表面，形成保护性生物膜，以应对气候多变性，并延长包衣种子的货架期。

此外，农艺措施亦会影响链霉菌群落，例如 C3 与 C4 作物间作：C4 作物因与链霉菌的有益互作而具备更强的耐旱性，可能通过间作间接提升整体农田的链霉菌效益。图中环绕植株的箭头示意不同链霉菌调控路径所能带来的潜在增益幅度。

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