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Title:

Science 综述 干旱情况下植物和微生物的互作关系

Take home message:

(1) Although our understanding of the complex feedbacks between plant and microbial responses to drought is advancing, most of our knowledge comes from non-crop plants in controlled experiments.

(2) 微生物利用植物的“求救信号”作为食物,并生产出植物生长激素来鼓励植物生根。它们产生抗氧化物质,帮助植物减轻干旱的压力


Main:

Harnessing rhizosphere microbiomes for drought-resilient crop production 利用根际微生物进行抗旱作物生产

(1)Root-associated microbes can improve plant growth, and they offer the potential to increase crop resilience to future drought. 根系相关微生物可以促进植物生长,并且它们有潜力提高作物对未来干旱的抵御能力。

(2)Although our understanding of the complex feedbacks between plant and microbial responses to drought is advancing, most of our knowledge comes from non-crop plants in controlled experiments. 尽管我们对植物和微生物如何响应干旱的复杂反馈机制的理解正在加深,但我们的大部分知识都来自于在受控环境下对非作物植物的研究。

(3)We propose that future research efforts should attempt to quantify relationships between plant and microbial traits, explicitly focus on food crops, and include longer-term experiments under field conditions.我们建议,未来的研究工作应该尝试量化植物和微生物特性之间的关系,明确地以粮食作物为重点,并包含在田间条件下进行的长期实验。

(4)Overall, we highlight the need for improved mechanistic understanding of the complex feedbacks between plants and microbes during, and particularly after, drought.总的来说,我们强调需要从机理上更好地理解植物和微生物在干旱期间,特别是干旱之后发生的复杂相互作用。

(5)This requires integrating ecology with plant, microbiome, and molecular approaches and is central to making crop production more resilient to our future climate.这需要将生态学与植物学、微生物组学和分子方法结合起来,并且这对于使作物生产对我们未来的气候更具韧性至关重要。

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Fig. 1 Relationships among plant and microbial drought response and effect traits. 植物和微生物干旱反应和效应性状间的关系

Drought response traits determine the direct response of plants and microbes to drought, and these traits have a hypothesized link with drought effect traits (arrows 1 and 4), which determine the effect of drought on the plant. Plant and microbial effect traits can feed back to each other (arrows 3 and 5) and determine plant and microbial response to drought (arrows 2 and 6). Microbial effect traits can also feed back to influence microbial response to drought (arrow 7). All traits are affected by environmental conditions and bulk soil microbial communities. Morphology refers to filamentous hyphal growth of fungi. EPS, exopolysaccharide; ABA, abscisic acid; IAA, indole acetic acid. Tables 1 and 2 provide references for the traits included here 干旱反应性状决定了植物和微生物对干旱的直接反应,并且这些性状与干旱效应性状(箭头1和4)具有假设的联系,干旱效应性状决定了干旱对植物的影响。植物和微生物效应性状可以相互反馈(箭头3和5)并决定植物和微生物对干旱的反应(箭头2和6)。微生物效应性状也可以反馈影响微生物对干旱的反应(箭头7)。所有性状都受到环境条件和土壤微生物群落的影响。形态学是指真菌的丝状菌丝生长。EPS,胞外多糖;ABA,脱落酸;吲哚乙酸。表1和表2提供了这里包括的特征的参考

注:1. 植物的“自救”(箭头1):干旱时,植物自己先采取行动保命:响应特质(自救技能):比如,关闭一些叶片气孔减少水分蒸发、改变根系结构去寻找更深的水源、调整内部生理防止脱水。产生的效应(互助技能):植物在自救过程中,会通过根系分泌出一些物质(根分泌物、黏液),这些就像是它向土壤中发出的 “求救信号”和“食物”。2. 微生物的“回应与帮助”(箭头4 和 箭头5):土壤中的微生物邻居感受到了干旱,也收到了植物的“求救信号”。响应特质(微生物的自救):微生物自己也启动抗旱模式,比如给自己建造保护性的生物膜(像一层“果冻”裹住自己)、产生“抗冻剂”一样的物质防止细胞脱水。产生的效应(微生物的互助技能):微生物在自救的同时,也开始帮助植物:它们利用植物的“求救信号”作为食物,并生产出植物生长激素来鼓励植物生根。它们产生抗氧化物质,帮助植物减轻干旱的压力。它们帮助植物吸收更多的水分和养分。这些就是微生物对植物的效应特质(箭头5)。3. 互助带来的良性循环(箭头2, 3, 6, 7):植物得到帮助后(箭头2):微生物提供的各种帮助,反过来又增强了植物自身的抗旱能力(响应特质),让它更能熬过干旱。微生物得到反馈(箭头6):植物长得更好,根系更发达,就能分泌更多的“食物”给微生物,这又支持了微生物群落的繁荣和它们的抗旱能力。微生物内部的互助(箭头7):微生物之间也会互相帮助,它们形成的保护性生物膜等效应特质,也直接帮助了整个微生物群落更好地应对干旱。

 

(6)Result结果

(7)Drought response traits 干旱反应性状

(8)Plant signals 植物信号

(9)Microbial mechanisms 微生物机制

(10) Probiotics 益生菌

(11) Primary and secondary plant metabolites 初级和次级植物代谢物

(12) Translational possibilities

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Fig. 2 Hypothesized alterations in plant-microbial interactions during and after drought. 干旱期间和干旱后植物-微生物相互作用的假设变化。 During drought, direct interactions with plant growth–promoting rhizobacteria (PGPR) and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) induce plant drought tolerance, but these interactions break down under severe or continuing drought. After drought, different plant-microbial interactions are assembled, with the potential of affecting future plant and soil response to drought. 在干旱期间,与促进植物生长的根际细菌(PGPR)和丛枝菌根真菌(AMF)的直接相互作用诱导植物耐旱性,但这些相互作用在严重或持续干旱下会中断。干旱后,不同的植物-微生物相互作用聚集在一起,有可能影响未来植物和土壤对干旱的反应

注:第一幕:风调雨顺(无干旱时期)场景:植物茁壮成长,光合作用旺盛。合作模式:植物很“大方”,通过根系分泌大量碳水化合物(根分泌物)到土壤中,就像是请客吃饭,喂养根际的细菌和丛枝菌根真菌。作为回报:菌根真菌 像植物的“根毛延伸器”,帮助植物吸收更多的水分和养分(特别是磷)。分解菌群 则负责分解土壤有机质,将里面的养分矿化出来,供植物吸收。核心关系:一种互惠互利的甜蜜交易。植物用碳(食物)换微生物的水和营养。
第二幕:短期或中度干旱场景:缺水压力出现,植物的光合作用开始受到抑制。合作模式转变:植物自己都“节衣缩食”了,所以请客吃饭的规模变小了——根分泌物减少。此时,直接的合作盟友变得至关重要。一些植物根际促生菌 和 菌根真菌 会直接激活植物的“抗旱机制”,比如产生激素、增强保水能力等,帮助植物直接抵抗干旱。而那些依赖植物“请客”的异养微生物,因为食物减少,活性也降低了。核心关系:从“甜蜜交易”转向 “战时同盟” 。直接的、能提供即时抗逆性帮助的微生物伙伴关系被强化。

第三幕:长期或极端干旱。场景:危机升级,严重的、持续的水分胁迫。合作模式转变:植物光合作用严重受损,生存是第一要务,停止分泌根分泌物。之前建立的“互助小组”因为缺乏资源(食物)而崩溃。所有植物和微生物的生理过程几近停止。开始出现植物和微生物细胞死亡。核心关系:同盟破裂,各自求生。生态系统功能面临崩溃。

第四幕:甘霖降临(旱后恢复期)场景:降雨来临,干旱解除。合作模式转变:植物恢复光合作用和生长。但它分泌的根分泌物成分发生了变化(就像请客的菜单变了)。这个新的菜单会触发并筛选出新的微生物活动:能利用新食物的微生物类群会快速繁殖,并加速土壤养分的矿化,形成一波营养释放。植物生长的恢复也会改变土壤环境。最终,一套全新的植物-微生物互动关系被组装起来。这套新关系将决定土壤和植物在未来面对下一次干旱时的响应能力。核心关系:旧联盟解散,新联盟建立。干旱像一次“大洗牌”,重塑了整个根际微生态系统。


Words:

(1) complex feedbacks between plant and microbial responses to drought is advancing, most of our knowledge comes from non-crop plants in controlled experiments.