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中国科学报铁载体：土壤稀缺资源保卫战的“秘密武器”


在作物根际土壤中 ， 存在着复杂而多样的微生物 。 当病原菌入侵时 ， 一场肉眼看不见的资源争夺战开始了 。
其中 ， 铁是根际微生物和土传病原菌争夺的核心稀缺资源之一 。
南京农业大学资源与环境科学学院教授沈其荣团队联合瑞士、荷兰、英国学者发现 ， 根际微生物铁载体介导根际菌群与土传病原青枯菌的相互作用 ， 决定着作物健康 。 5月11日 ， 《自然—微生物学》在线发表了这一成果 。

中国科学报铁载体：土壤稀缺资源保卫战的“秘密武器”
本文插图

铁载体是根际稀缺资源保卫战的“秘密武器” 。张耀予绘图
核心稀缺资源“铁”
“由土传病原菌引起的作物土传病害已经成为制约全球粮食优质高产和农业可持续发展的重要因素 。 ”沈其荣告诉《中国科学报》 ， 从根际土壤微生物的角度出发 ， 在土传病原菌没接触根系之前将其遏制 ， 是非常重要的 。 “这是土壤肥料工作者解决土传病害问题的切入点 。 ”
土传青枯病是生产上的痛点 。 论文共同通讯作者、南京农业大学教授徐阳春介绍 ， 由青枯菌引起的土传青枯病是全世界最严重的细菌性病害之一 ， 在我国尤为严重 。 青枯菌在土壤中的存活时间长 ， 能够侵染番茄、辣椒、烟草、花生等重要经济作物 ， 常导致作物减产 ， 甚至绝收 。
论文作者、瑞士苏黎世大学教授Rolf Kümmerli告诉《中国科学报》 ， 越来越多的证据表明 ， 土壤微生物组对植物的生长和健康具有重要的影响 。 但是 ， 尚不清楚哪些细菌性状驱动这种作用 。
论文共同通讯作者、南京农业大学教授韦中在接受《中国科学报》采访时提到了土传青枯病研究中一直存在的几个疑问：入侵过程中病原菌种群数量急剧增加 ， 是否存在一些土壤微生物为病原菌的入侵提供稀缺的关键营养资源？如果根际微生物能提前占据这些核心稀缺营养 ， 会不会有效抑制病原菌的入侵？
“铁符合稀缺和核心资源的条件 。 ”韦中说 。 作为细胞代谢不可或缺的元素 ， 铁在环境中的生物有效性很低、有效形态单一（仅三价铁Fe3+） 。 植物根系和根际微生物对三价铁的竞争利用非常激烈 。
“青枯菌的入侵 ， 以及种群数量的激增是有寄主优势的 。 ”韦中说 ， 病原菌种群数量激增必然需要大量资源 ， 碳、氮等资源可以由土壤—植物系统提供 ， 但稀缺的必须元素铁只能靠争夺获得 。 “只有产生铁载体的能力强 ， 并且它的铁载体又不能被病原菌利用 ， 这样的根际菌群才能更好的利用碳、氮等其他资源 ， 保持较高的种群数量 。 ”
其中发挥重要作用的铁载体 ， 是由细菌分泌的结构多样性的化合物 ， 主要用来螯合环境中稀缺的三价铁 。 Kümmerli解释道 ， 细菌需要特定的受体才能吸收对应结构的铁—铁载体螯合物 。
“铁载体可能被病原菌识别和‘窃取’ ， 促进病原菌的生长；也可能不被病原菌识别 ， 而是作为根际细菌的私有物品 ， 进而抑制病原菌 。 ”论文第一作者、博士生顾少华说 。
尽管关于铁载体的研究很多 ， 但在几年前 ， 几乎没有人从群落层面上研究铁载体的作用 。
直到2015年 ， 韦中在一次国际会议上了解到 ， Kümmerli等人从土壤和湖水中分离出几百株假单胞菌 ， 研究其产生的铁载体 。
“非常有意思 ， 当时这项工作的成果还没有发表 。 根际微生物种类非常复杂 ， 我们不能仅仅聚焦在假单胞菌 ， 应选择更多类群才能有代表性 ， 并且用几千种细菌做研究 ， 这样在未来几年发表时才可能有竞争力 。 ”韦中说 ， 他们的合作也从那时开始 。
【中国科学报铁载体：土壤稀缺资源保卫战的“秘密武器”】抑制型VS便利型
他们从土壤中分离出2000多种根际细菌 ， 并分别加入铁缺乏的发酵液中分析其变化 。 结果发现 ， 95%的根际细菌都能产生铁载体 ， 并且铁载体的产生能提高自身的生长能力 。


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