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化合物是植物與外界環(huán)境進(jìn)行信息交流的重要媒介。中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所種子分子生態(tài)學(xué)研究組聚焦于研究植物在種子階段使用的各種信息化合物。該研究組曾報(bào)道種子可以感受野火煙氣中的丁香醛，并受其刺激而啟動(dòng)種子萌發(fā)，從而在野火之后迅速實(shí)現(xiàn)種群更新(Cao et al.,2022;Cao et al,2023;許宏力等,2024)。近期，種子分子生態(tài)學(xué)研究組又聯(lián)合南方科技大學(xué)合作伙伴發(fā)現(xiàn)水稻種子在萌發(fā)過(guò)程中可以釋放苯甲醛，并以該化合物為信號(hào)，招募促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)的益生細(xì)菌。

植物終其一生都難以脫離環(huán)境中的微生物，許多植物都會(huì)積極地塑造自身周邊的微生物環(huán)境。然而，植物在其生活史周期的什么階段開(kāi)始具備這種自主塑造微生物環(huán)境的能力？這一直是個(gè)未解之謎。曹德昌研究組與夏雨研究組的聯(lián)合工作發(fā)現(xiàn)水稻種子在吸脹三天之內(nèi)即可改變周邊的細(xì)菌群落構(gòu)成。盡管土壤中有成千上萬(wàn)的細(xì)菌，然而并非所有的細(xì)菌都成比例地吸附到種子上。水稻種子在水稻田泥土中吸脹三天后，選擇性地從土壤中招募一部分細(xì)菌，同時(shí)也驅(qū)離了一些細(xì)菌，在種子周圍構(gòu)建了與泥土中完全不同的細(xì)菌群落。不能啟動(dòng)萌發(fā)的種子則被截然不同的細(xì)菌群落包圍。

水稻種子在萌發(fā)時(shí)招募的這些細(xì)菌可以促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)。相比于細(xì)菌被完全殺滅的對(duì)照組，在泥土中萌發(fā)并構(gòu)建自主細(xì)菌群落的種子所產(chǎn)生的幼苗可以實(shí)現(xiàn)更快更好的生長(zhǎng)。

圖1. 水稻種子萌發(fā)過(guò)程中可以招募促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)的益生細(xì)菌。a)16S測(cè)序結(jié)果表明萌發(fā)的種子、未萌發(fā)的種子和萌發(fā)實(shí)驗(yàn)所用土壤具有截然不同的細(xì)菌群落組成；b)PCA分析可以量化表征萌發(fā)種子、未萌發(fā)種子和土壤的細(xì)菌群落差異；c)萌發(fā)的種子細(xì)菌群落具有最低的多樣性，表明僅有部分土壤細(xì)菌被萌發(fā)的種子招募富集；d)宏基因組測(cè)序表明萌發(fā)種子和未萌發(fā)種子的細(xì)菌群落具有明顯的差異。

通過(guò)高效液相色譜串聯(lián)二級(jí)質(zhì)譜(HPLC-MS-MS)分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)水稻種子在萌發(fā)時(shí)會(huì)分泌一些特異性化合物，包括苯甲醛。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，苯甲醛可以模擬萌發(fā)種子招募細(xì)菌的行為。將浸吸苯甲醛的滅菌竹簽置于泥土上，也可以模仿萌發(fā)的種子，構(gòu)建類似的細(xì)菌群落。因此，萌發(fā)的水稻種子可以釋放苯甲醛作為武器，主動(dòng)出擊土壤細(xì)菌，“一手拉一手打”，構(gòu)建自主的細(xì)菌群落。

圖2. 萌發(fā)的水稻種子釋放苯甲醛，對(duì)周邊菌群進(jìn)行“一手拉一手打”的重構(gòu)。a)萌發(fā)的種子向周圍土壤分泌一些獨(dú)特的代謝化合物;b)通過(guò)質(zhì)譜分析檢測(cè)到種子和土壤樣品種具有功能多樣、來(lái)源復(fù)雜的化合物；c)萌發(fā)的種子可以分泌苯甲醛，顯著多于未萌發(fā)的種子；d)苯甲醛中浸濕的滅菌竹簽可以模擬萌發(fā)的種子，構(gòu)建與萌發(fā)種子周圍類似的細(xì)菌群落。

該研究工作近日以Germinating rice seeds shape rhizospheric bacteria via releasing benzaldehyde為題，發(fā)表于傳統(tǒng)植物學(xué)主流學(xué)術(shù)期刊Plant Physiology and Biochemistry。南方科技大學(xué)博士生趙碧溪和哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生顏玉璽為論文共同第一作者，種子分子生態(tài)學(xué)研究組組長(zhǎng)曹德昌副研究員和南方科技大學(xué)夏雨副研究員為共同通訊作者。該工作得到了昆明植物所引進(jìn)人才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、云南省“興滇英才”青年項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、以及廣東省環(huán)境健康與陸地資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

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