植物与其根际微生物之间的通路被破解，通过合成生物学可利用根系微生物为作物固氮！学术资讯

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2019年7月31日，Nature Communications杂志在线发表了来自英国牛津大学Philip S. Poole课题组题为“Engineering transkingdom signalling in plants to control gene expression in rhizosphere bacteria”的研究论文。
该研究利用合成生物学技术，设计出了植物与其根际细菌之间的分子信号通路，这一合成信号系统有助于小麦和玉米等非豆类作物成功固氮，对利用增强根系微生物群来改善营养不良土壤的作物产量以及减少大田化肥使用量有着巨大应用前景。该文为植物与其根际细菌之间互作的经典文章，故值得推荐！

1.植物根系微生物组简介在土壤中，植物的根系除了固着植物并作为吸收水分和营养的器官以外,还是微生物聚集栖息和繁衍的场所。这些微生物及其相互关系统称为根系微生物组。这些根系微生物伴随着植物的整个生长周期，帮助植物吸收营养、抵抗病害和适应胁迫环境。

其作用机制主要包括: (1) 促进植物从环境中获取营养, 例如, 菌根真菌溶磷和根瘤菌固氮(Oldroyd et al., 2011; Mbodj et al., 2018); (2) 通过激素合成或降解调控植物的生长和环境适应性(Duan et al., 2014); (3) 通过与致病菌的作用或诱导植物产生抗性而调控免疫反应(Bulgarelli et al., 2013; Santhanam et al., 2015)。此外, 根际微生物也可以与宿主植物竞争土壤中的营养物质, 或作为致病菌攻击植物(Berendsen et al., 2012)。
之前,我们有多次报道植物根际微生物的研究，如【Nature Biotechnology】植物根际细菌有助于植物抗病；【Nature Commu】华大基因等揭示了全球柑橘根系微生物组的结构；【Nature Biotech】研究发现根系微生物组促进水稻氮利用！；【Science】】拟南芥代谢物三萜化合物调控植物根系微生物组。现在根际微生物研究为植物科学研究的前沿和热点，具有很多重要的问题值得研究！

其中一个方向是：如何通过合成生物学设计植物微生物组以提高作物产量的潜力。植物是通过发出吸引或抑制特定微生物化学信号来影响其根际微生物群的。研究表明一种称为Rhizopines（SIA和3-O-MSI）的化合物被认为是理想的化学信号，它们是一组细菌在豆科根瘤中产生的化合物。

该研究首先通过根瘤菌-豆科植物共生证明了Rhizopines能在根际中的渗出，并阐明了豆科结瘤中根瘤菌产生Rhizopines的天然生物合成路径（见下图）。

之后，研究人员通过对谷类植物进行改造，将合成的Rhizopines信号传导途径转移到包括谷物在内的许多植物上，并设计出根际细菌对根状茎的反应（见下图）。该研究测量了大麦的根和根围细菌之间的通信信号，发现大多数菌落之间都存在明显的通信。这意味着我们有可能利用这种跨界信号通路激活根系周围的微生物群来固定氮，以及其它促进植物生长需要的功能，如生产抗生素、激素或溶解土壤养分。

综上所述，该研究通过生物合成学使大麦等作物产生Rhizopines信号传导途径，让该工程植物可以与其根系周围细菌进行交流并加以控制，使它们能够利用这些细菌来促生长，包括提高固氮功能。该研究为谷物控制细菌微生物群及其多样化代谢打开大门。下一步的研究将会对植物如何控制根围细菌的关键过程，如固氮、磷酸盐溶解和促进植物生长等过程！

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