CNGBdb支撑发表Science综述:与共生微生物和病原微生物相互作用驱动植物进化

2021-02-20 68CNGBdb

昨日,来自法国图卢兹大学和英国剑桥大学的研究人员在Science发表题为Plant evolution driven by interactions with symbiotic and pathogenic microbes的重磅综述,提出共生关系始终是在保护机制和一般细胞生物学原理的共同作用下产生的。探索和利用非开花植物-微生物相互作用中分子机制的多样性,可以扩大工程化共生优势作物和病原菌抗逆性作物的可能性。

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值得注意的是,在此篇综述中,研究人员选择了具有代表性的非种子植物,分析植物与微生物相互作用中基因和过程的获益。其中包括由国家基因库支持、深圳华大生命科学研究院主导的万种植物基因组计划(10KP)近两年在Cell、Nature Plants、Nature Ecology & Evolution等期刊发表的两个双星藻(Spirogloea muscicola 和 Mesotaenium endlicherianum)、两个早期轮藻(Mesostigma viride和Chlorokybus atmophyticus)以及新发现的绿色植物最早分化出的门类——“华藻门”代表Prasinoderma coloniale

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其中Chlorokybus, Mesostigma和 Prasinoderma的全基因组组装、注释和原始数据已保存在国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号分别为:CNP0000228CNP0000924

综述概要

背景

微生物相互作用塑造了陆地生态系统中的植物多样性。通过形成互利共生,在4.5亿年前微生物帮助植物在陆地上定殖。同时,无所不在的病原体导致了全新的防御策略。植物与微生物相互作用的进化包括古老的保守基因模块、循环概念以及快速出现的谱系特异性。微生物在植物组织和器官的表面或内部形成群落。其中最密切的是微生物生活在单个植物细胞内----细胞内定殖。细胞内定殖是由植物基因建立和控制的,而植物基因是一般细胞过程和防御机制的基础。为了从微生物中获益,植物还进化出了支持共生的遗传模块。尽管存在被病原体劫持的风险,这些模块仍然被保留下来。

进展

目前已有数百个陆地植物和藻类基因组,可以对与植物免疫和共生相关的基因家族进行全基因组比较。通过系统发育、细胞生物学和反向遗传学,从开花植物延伸到苔藓植物,科学家们已经开始解开植物-微生物联系的遗传基础和进化谜题。对病原体的抵抗和对有益的共生微生物的支持,是通过以不同的速度进化的多种保守的和分支特有的植物机制共同维持的。

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一些病原体(如卵菌)能够感染广泛的现存植物谱系,包括苔藓植物(左),植物与病原体的相互作用往往发展速度很快。相比之下,在最古老的陆地植物化石中可以发现一些与今天完全相同的共生相互作用,这里描绘的是Rhynie chert化石植物Aglaopyton major(右)。尽管如此,这两种类型的植物-微生物相互作用的特点是进化上的古老以及快速演变的方面。扩展对不同植物谱系的植物和微生物研究丰富了我们对这些过程及其进化的理解。

展望

目前只有少数植物和微生物的相互作用得到了深入研究,而那些只是少数陆地植物谱系。未来对植物多样性间相互作用的研究可能会揭示新类型的共生或致病相互作用。streptophyte algae是与陆地植物关系最密切的藻类,其微生物感应基因的出现表明存在着被忽视的、潜在的古老共生关系。在不同的streptophyte algae, hornworts, liverworts, ferns以及迄今为止尚未取样的种子植物的多样性中建立遗传可处理的植物-微生物模型系统,将有助于剖析调节植物中发生的广泛的相互作用的分子机制。苔藓植物基因组中共生基因的实际功能也有待确定。此外,我们对植物-微生物相互作用的理解将通过更经常地将进化概念与机理研究相结合而得到丰富。我们需要努力破译分子变化,从而使新的相互作用、信号传导途径和酶的特异性得以出现,以支持共生并防御病原体。微生物控制着植物的生长过程,补充微生物研究是获得植物和微生物进化全貌的关键。了解远缘植物与其微生物之间的相互作用规律,有助于将基因移植方法应用于作物,实现对病原菌的定量抗性、提高磷的吸收或者建立联合固氮,以便在可持续农业中有效利用。

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参考文献
Delaux PM, Schornack S. Plant evolution driven by interactions with symbiotic and pathogenic microbes. Science. 2021 Feb 19;371(6531):eaba6605.
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