研究人员破译了细菌是如何成为对抗致命真菌的全球重要粮食作物的

高粱二色的

Anthracnose Alert:细菌如何将第五大全球粮食作物对抗致命的真菌

炭疽病的高粱二色的破坏了世界范围内抗旱耐热谷物的作物。用根际细菌启动可以提高植物的抗性和对各种不利条件的耐受性,如微生物的攻击。

约翰内斯堡大学研究人员破译了启动机制是如何增强植物的“安全系统”,从而形成更强、更快的防御。

利用代谢组学和机器学习算法,他们确定了高粱植物对真菌攻击的化学反应的变化。

这种低成本的方法可以用来对付经济上重要的粮食作物中的其他病原体。

真菌做法

真菌炭疽菌sublineolum通过很多方式偷偷接近宿主。它可能已经在土壤中、腐烂的植物或设备上徘徊了很多年。在潮湿温暖的环境中,它喜欢在第一次下雨时扑上来。

它进入植物的气孔,或“通风口”,一开始并不破坏东西。相反,它首先在植物内部繁殖。在这个阶段,它以植物为食,不会对农民造成明显的损害。

但是一旦真菌真正入侵了宿主,它就会从讨厌的寄生虫变成大规模的破坏者。就像一个开关被打开了一样,它开始破坏植物的结构支撑和细胞。通过这种方式,真菌满足了它贪婪的食欲,并准备好了繁殖。

在这一阶段,毁灭性的疾病从植物的外部显现出来。高粱炭疽病,或萎蔫病,在叶子和茎上造成斑点。斑点扩展成可以完全覆盖叶子的病变。

被入侵的植物一点机会都没有。

除非友好的细菌事先与植物合作。植物和细菌之间的相互作用可以打开植物的“安全系统”,如果真菌足够敏感、快速和强大,它就可以抵御真菌。

高粱炭疽病是由真菌引起的炭疽菌sublineolum简称CS fungus。和大多数真菌一样,这种真菌是一个挑剔的捕食者。它专门攻击任何年龄的高粱植物。有时它有利于接近收获的植物。当它袭击时,它可以摧毁整个谷物田,作物产量损失高达70%或更多。

应对气候

“在气候变化时代,我们期待更长的干旱和过度的热量。作物植物也必须在间歇性和更严重的洪水期间产生。现在是时候适应现有的作物植物,以便在接近我们的条件下,“Ian Dubery教授说。他是约翰内斯堡大学在南非的植物代谢组学研究中心主任。

全球第五大谷物

高粱的品种主要用于商业或生存生产高粱二色的。它原产于非洲,在许多国家被用作食物、饲料和生物燃料。

按年产量计算,它是世界第五大粮食作物。对于生产这种粮食的自给农民来说,高粱是粮食安全的关键。

这种作物在西非被称为谷子和几内亚玉米,在苏丹被称为杜拉,在非洲东部被称为mama,在印度被称为jowar,在中国被称为高梁;而根据粮农组织的说法,它在美国通常被称为milo或milo-maize。其他的名字包括feterita, jwari, shallu, cholam, jola, dari和solam。

某些品种具有很强的抗旱和耐热性。

昂贵的防御

一些品种高粱二色的对CS真菌的抗性比其他真菌强。然而,产量最高的品种往往对CS菌的抗性较低。此外,激活和锻炼这种抵抗是有代价的——对植物和农民来说。

高粱植物越努力地召集防御力量,它产出的种子就越少。它也许能够保护自己,所以它有健康的叶子和茎,但它最终会产生一个更少的作物产量。它甚至可能在这个过程中死亡。

此外,喷洒杀菌剂很昂贵,而且会影响环境。因此,一种更可持续的方式保护高粱将是可取的。

启动国防

在高粱植株的根部周围加入友好细菌,可以使其叶片更能抵抗CS真菌的攻击。含有这些根际细菌的生物肥料被商业地用于高粱和其他作物。

在工业上,这些细菌被称为“促进植物生长的根际细菌”或PGPR。可以在种子上涂一层生物肥料,在土壤或植物上喷洒生物肥料。

但是,启动如何以及为什么能够战胜诸如谷类作物上的CS真菌这样的病原体还不清楚。

植物代谢组学破解了一个更严格的安全系统

Ian Dubery教授和Fidele Tugizimana博士破译了用根际细菌启动的原理和原因高粱二色的。Tugizimana是该研究中心的一名研究员。

“高粱植物和它们被引发的robogacteria,团队队伍在更高的警报上获得植物的安全系统。Dubery说,它还表现得更快,并具有更强的反对攻击真菌。“

没有真菌发作,生活在根际的细菌(植物根源周围的区域),帮助植物以多种方式。作为一个例子,它们使工厂更容易消化磷酸盐等营养物质;并将氮气固定在土壤中以使其更肥沃。

反过来,植物通过释放细菌所需要的化学物质来帮助细菌。

为了和平与战争

研究人员在实验室的托盘中种植了一种高粱品种。在植株达到30厘米高度后,他们将根际细菌涂在植株的根部以启动植株。这些细菌生活在靠近植物根部的土壤中,这被称为根际。这种植物制造化学物质,并将它们输送到根际,供细菌使用。

研究人员想要发现的是,“化学通讯”是如何在健康的植物内部和周围起作用的。他们分析了这种植物在其叶子、茎和根中合成的化学物质,以及根际接种细菌的土壤。

从这里,他们可以建立植物根源和细菌“互相谈话”的照片。他们还可以解开根,茎和叶子如何互相讨论,以支持与细菌的有益关系。

这给了他们一种用根际细菌启动的健康植物的代谢组学“特征”。

他们用CS真菌感染另一半植株,看看它对高粱品种的影响有多严重。他们再次分析了叶子、茎、根和接种了细菌的土壤中的代谢“鸡尾酒”。这就给了它们一个已启动的、受感染的植物的代谢特征。

大数据分析

他们对同一种高粱重复了整个过程,只有一种例外。它们没有给根部注入细菌。现在他们可以看到,在没有启动的情况下,“安全反应”是多么弱。

所有这些生化分析产生了大量的复杂数据,超过200千兆字节。为了搞清楚这一切,他们采用了大数据分析,这是一个检查和挖掘大型复杂数据集的复杂过程。

在这个过程中,使用了机器学习、化学计量学、多元统计分析和数学方法等技术。通过这种方式,他们可以提取信息,从而可以得出更准确的结论和假设,并有信心地表述。

化学防御的变化

现在他们可以看到高粱厂制造了什么新的“鸡尾酒”来保护自己。以及在启动细菌的帮助下,这些鸡尾酒如何比植物健康时更加多样化和集中。

研究人员还可以看到,当被CS真菌攻击时,准备好的植物使用了什么新的“鸡尾酒成分”。

在感染真菌后1 ~ 3天,经处理的植株产生的植物激素比未处理的高出数倍,特别是羟基茉莉素葡萄糖苷和玉米素。

引物植物也合成了大量的


Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.
" class="glossaryLink ">氨基酸酪氨酸和羟基色氨酸,这是非原料药植物产生的微量。它们还产生了比平常多三倍的色氨酸。

与此同时,被启动的植物增加了脂质的生产,尤其是鞘氨醇。相比之下,未启动的植物产生了微小的脂质组分。

被处理的植物从根本上减少了类黄酮的产生,尤其是芹菜素和木犀草素。

解码安全系统

“我们发现,改良过的高粱植株拥有更敏感的安全系统。它们会在没有启动的情况下更快地启动这些系统。同时,被处理过的植物对真菌的攻击反应也较好。它们的感染率和症状发展程度都比没有准备好的植物低得多,”Tugizimana说。

即使在感染CS菌后第9天,也有少数高粱植株出现症状。那些出现症状的叶片很少受到影响。这些病变可以被描述为局部的过敏反应。他补充说,没有任何损伤会蔓延到整个叶子表面。

他们通过代谢组学分析发现了这种植物是如何保护自己的。

“我们发现了有益细菌与高粱植物根部的相互作用是如何改变植物保护自己的能力的。被启动的高粱植物改变了它分配能量的方式,并将其代谢途径更多地转向防御,而不是生长或种子生产。通过这种方式,它改变了保护化学物质的成分来抵抗真菌。这就是它如何开始制造新的“鸡尾酒”来增强它的化学防御。

“经过处理的高粱植株对真菌的攻击更敏感,反应更快、更强烈。所以我们可以说,对植物有益的细菌支持植物发起更有效的防御,”Tugizimana说。

低成本的可持续农业方法

Dubery说,这一结果为在其他具有重要经济价值的作物上对抗病原体的类似研究铺平了道路。

“用根际细菌进行引物可以使易感植物变得更加耐受性,而耐受性强的植物则更加抗病。这意味着底漆或预处理可以提高作物产量并减少杀虫剂的使用。这是一个有希望的、可持续的和低成本的选择,可以在现实世界的农业条件下获得更有效的耐药性,因为许多病原体威胁着粮食作物。”他补充说。

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2019年9月20日,作者:Fidele Tugizimana, Paul A. Steenkamp, Lizelle A. Piater, Nico Labuschagne和Ian A. Dubery代谢物
DOI: 10.3390 / metabo9100194

约翰内斯堡大学的植物代谢组学研究中心利用代谢组学工具和方法,专注于植物胁迫条件的基础和应用研究。正在进行的项目包括植物-微生物相互作用的植物化学方面,诱导防御反应和先天免疫。

比勒陀利亚大学植物和土壤科学系的Nico Labuschagne教授提供了一种Paenibacillus alvei并提供了菌株的照片。

Agricol提供高粱种子[高粱二色的(l)一种甜的南非品种,ns5655。

南非国家研究基金会以95818号拨款支持这项研究,并向菲德尔·图吉齐马纳博士提供奖学金支持。约翰内斯堡大学向Fidele Tugizimana博士提供研究资助。