研究人员破译了细菌是如何使全球重要粮食作物抵御致命真菌的

时间:2019-12-21 16:40 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

炭疽病警报:细菌如何使全球第五大谷物作物抵御致命的真菌

高粱的炭疽病破坏了世界范围内抗旱抗热的谷类作物。根细菌的刺激可以促进植物的生长。对各种不利条件(如微生物侵袭)的抗性和耐受性。

约翰内斯堡大学的研究人员破译了启动如何增强“安全系统”植物为更强,更快的防御。

利用代谢组学和机器学习算法,他们确定了高粱植株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。

真菌的运作方式

炭疽菌以多种方式潜入宿主体内。它可能在土壤中、腐烂的植物或设备中存在多年。它喜欢在潮湿和温暖的条件下,在第一场雨的时候突然袭击。

它进入气孔。一开始不会破坏东西。相反,它会在植物内优先繁殖。在这个阶段,它以植物为食,而不会对农民造成可见的伤害。

但是一旦这种真菌真的入侵了它的宿主,它就会从不想要的寄生虫变成大规模的破坏者。就像一个开关被弹开了一样,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胃口,并准备繁殖后代。

在这个阶段,毁灭性的疾病在植物的外部变得明显。高粱炭疽病,或萎蔫病,在叶和茎上引起斑点。这些斑点扩大成病变,可以完全覆盖叶子。

被入侵的植物没有生存的机会。

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开启植物的“安全系统”,它可以抵御真菌,如果它是敏感的,快速和强大的足够。

高粱炭疽病是由炭疽菌引起的。真菌是一个挑剔的捕食者,就像大多数真菌一样。它专门攻击任何年龄的高粱。有时它有利于接近收获的植物。当它攻击时,它可以摧毁整个农田的粮食,作物产量损失高达70%或更多。

应对气候

“在气候变化的时代,我们预计会有更长的干旱和酷暑期。农作物也将不得不在间歇性和更严重的洪水期间生产。现在是使我们现有的农作物适应即将到来的环境的时候了。伊恩?杜贝里教授表示。他是南非约翰内斯堡大学植物代谢组学研究中心主任。

全球第五大粮食

主要用于商业或自给生产的高粱品种是高粱双色。它原产于非洲,在许多国家用作食物、饲料和生物燃料。

按年产量计算,它是世界第五大粮食作物。高粱是保障粮食生产农民粮食安全的关键。

这种作物在西非被称为小米和几内亚玉米,在苏丹被称为dura,在东非被称为mtama,在印度被称为jowar,在中国被称为高梁;根据联合国粮农组织的说法,在美国这种玉米通常被称为“milo”或“milo- corn”。其他的名字包括feterita, jwari, shallu, cholam, jola, dari和solam。

某些品种有很强的抗旱性和耐热性。

昂贵的防御

一些高粱品种比其他品种更能抵抗CS真菌。然而,产量最高的品种往往对CS真菌的抗性较小。此外,激活和行使这种抵抗力是有代价的到植物和农民。

高粱作物越需要加强防御,它产出的种子就越少。它可能有能力保护自己,这样它就有健康的叶子和茎干,但它最终的产量可能会少很多。它甚至可能在这个过程中死亡。

此外,喷洒杀菌剂是昂贵的,可以影响环境。因此,一种更可持续的保护高粱的方法将是更好的选择。

启动国防

在高粱的根部周围植入友好的细菌,可以使它们的叶子更抵抗CS真菌的攻击。含有这些根细菌的生物肥料被用于高粱和其他作物的商业用途。

在工业上,这些被称为“促进植物生长的根杆菌”或PGPR。种子可以涂上生物肥料,土壤或植物也可以喷上生物肥料。

但是,启动如何以及为什么会起作用来击败诸如谷类作物上的CS真菌之类的病原体还不得而知。

植物代谢组学破解了一个更严格的安全体系

Ian Dubery教授和Fidele Tugizimana博士解释了根菌对高粱双色的作用机理。Tugizimana是该研究中心的一名研究助理。

“高粱植物和它们的根菌一起组成了植物的‘安全系统’。高警惕。它对真菌的攻击反应更快、更强。”Dubery说。

没有真菌的侵袭,生活在根际(植物根部周围的区域)的细菌在许多方面帮助了植物。例如,它们使植物更容易消化磷酸盐等营养物质;将氮固定在土壤中使其更肥沃。

反过来,植物通过释放细菌所需的化学物质来帮助它们。

为了和平和战争

研究人员在实验室里种植了一种高粱品种。当植株长到30厘米高时,用根菌在根上对植株进行预处理。这些细菌生活在植物根部附近的土壤中,这被称为根际。植物制造化学物质并将其输送到根际供细菌使用。

研究人员想要找出的是“化学交流”在健康的植物里或周围工作。他们分析了这种植物在叶、茎和根中合成的化学物质,以及在根际接种了细菌的土壤。

从这一点上,他们可以建立一幅植物的根和细菌如何交谈的图画。的相互关系。他们还可以揭示植物的根、茎和叶的结构。来支持与细菌的有益关系。

这给了他们代谢组学的“签名”一种由根细菌引起的健康植物。

另一半植株感染了CS真菌,看看它会对高粱品种产生多大的影响。他们再次分析了新陈代谢的“鸡尾酒”在叶、茎、根和接种了细菌的土壤中。这给了他们一个受感染植物的代谢特征。

大数据分析

他们对同一种高粱重复了整个过程,只有一个例外。他们没有在根部添加细菌。现在他们可以看到安全反应有多弱了。没有启动。

所有这些生化分析产生了大量复杂的数据,超过200gb的容量。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和复杂数据集的复杂过程。

在此过程中,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,从而得出更准确的结论和假设,并自信地制定。

化学防御的变化

现在他们可以看到什么样的新鸡尾酒了。高粱是用来自卫的。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浓缩。

研究人员还可以看到哪些新的“鸡尾酒成分”被CS真菌攻击时所使用的引物。

在感染真菌后的1 ~ 3天,受刺激的植株比未受刺激的植株产生数倍数量的植物激素,特别是羟基茉莉酸-葡萄糖苷和玉米蛋白。

启动的植物还合成了大量的氨基酸酪氨酸和羟基色氨酸,而非启动的植物只合成了少量的氨基酸。它们产生的色氨酸是平常的三倍多。

与此同时,受刺激的植物增加了脂质,尤其是植物黄素的产量。相比之下,非启动的植物只产生少量的脂质。

受刺激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,经过处理的高粱植株有更敏感的植物安全系统。他们启动这些系统的时间比不启动它们的时间要早。受刺激的植物对真菌的攻击也有更好的反应。与非引物植物相比,它们有更低的感染率和更少的症状发展。”Tugizimana说。

即使在感染CS真菌9天后,也很少有高粱植株表现出症状。那些有症状的几乎没有叶子受到影响。病变可被描述为局部超敏反应。他补充说,这些损伤不会扩散到整个叶子表面。

他们利用代谢组学分析发现了这种植物是如何保护自己的。

“我们发现了有益菌与高粱植物根部的相互作用是如何改变植物的自我防御能力的。经过预处理的高粱改变了能量分配方式,并将代谢途径重新导向防御,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组成来抵抗真菌。这就是它开始制造新鸡尾酒的方式。增强它的化学防御。

经过处理的高粱植株对真菌的侵染更敏感,反应更快、更强烈。所以我们可以说,植物有益菌支持植物发动更有效的防御,”Tugizimana说。

低成本的可持续农业方法

Dubery说,这些结果为在其他经济上重要的作物上进行类似的抗病原体研究铺平了道路。

“根杆菌的诱导可以使易感植物更耐受性,使耐受性植物更能抵抗疾病。这意味着,启动或预处理可以提高作物产量,减少农药的使用。这是一个有希望的、可持续的、低成本的选择,可以在现实农业条件下获得更有效的耐药性,因为在现实农业条件下,许多病原体威胁粮食作物。”他补充道。

###

阐明高粱双色体对炭疽菌感染后启动态的代谢重构Fidele Tugizimana, Paul A. Steenkamp, Lizelle A. Piater, Nico Labuschagne和Ian A. Dubery, 2019年9月20日,代谢物。DOI: 10.3390 / metabo9100194

约翰内斯堡大学植物代谢组学研究中心利用代谢组学工具和方法,重点研究植物胁迫条件下的基础和应用研究。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。

来自比勒陀利亚大学植物和土壤科学系的Nico Labuschagne教授提供了一株肺泡菌根杆菌,并提供了该菌株的照片。

农业用高粱种子Moench],属于南非的一个甜品种,NS 5655。

南非国家研究基金会为这项研究提供了95818号拨款和Fidele Tugizimana博士的奖学金支持。约翰内斯堡大学为Fidele Tugizimana博士提供了奖学金。

当前位置:主页 > 科学知识 >

声明:本文杏鑫娱乐整理不代表个人观点,转载请注明原文,点击还能查看更多的文章;本文网址: http://www.kozbods.com/kexue/yjrypylxjsrhsqqzylszwdyzmzjd.html

围观: 次 | 责任编辑:杏鑫



回到顶部