MPB 综述 | 利用植物相关微生物提高药用植物对非生物胁迫的适应能力
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2024-11-27 10:30
江苏
药用植物是许多天然化合物（青蒿素、丹参酮、人参皂苷等）的重要来源，对人类健康具有重大贡献。然而，全球气候变化引发的干旱、洪水和高温等极端环境压力，对药用植物的生长和品质带来巨大挑战，影响了其生产和下游产业发展。植物通常通过多种生理和分子机制应对环境胁迫，如通过根系伸长和增强水通道蛋白表达以适应干旱，或通过盐腺排盐和抑制钠离子进入细胞等方式应对盐胁迫等。除了上述内在适应机制外，植物相关微生物作为植物的第二基因组，在植物生长发育过程中也发挥了关键作用。研究表明，这些有益微生物可以增强植物对非生物胁迫的耐受性，并促进次级代谢物质的积累。然而，对于根际和内生微生物在调节药用植物非生物胁迫抗性方面的意义及功能机制仍有待探究。
2024年11月，江苏省中国科学院植物研究所孙玉明副研究员与德国马克斯普朗克分子植物生理学研究所Alisdair R. Fernie教授合作在Medicinal Plant Biology 发表了题为Harnessing plant-associated microorganisms to alleviate the detrimental effects of environmental abiotic stresses on medicinal plants 的研究论文。
该论文阐述了非生物胁迫对药用植物相关微生物群落的影响。干旱、盐胁迫及重金属胁迫等会直接影响根际及内生微生物的多样性、组成以及群落间相互作用。同时，植物也会通过根系分泌有机酸、糖、类黄酮等化合物来招募有益微生物，从而间接调节微生物群落的组装。此外，微生物群落的多样性还与土壤养分密切相关。例如，钾、镁、铜等营养物质的变化会影响药用植物根际微生物的组成。这些微生物群落的响应模式暗示了植物与微生物共同进化以增强其适应能力的策略。
论文进一步探讨了在四类非生物胁迫下（干旱、盐胁迫、重金属污染和养分不足），如何通过有益微生物提升药用植物抗逆。研究发现，丛枝菌根、芽孢杆菌、根瘤菌等有益微生物可以通过抗氧化系统激活、渗透调节、激素合成、营养利用或招募其他有益微生物等途径，促进药用植物对非生物胁迫的抗性。此外，多种有益微生物的共接种可以更有效地增强植物的耐受性，进一步表明微生物多样性及不同微生物间互利关系在提高植物恢复力方面的巨大潜力。
图1. 有益微生物提高药用植物对非生物胁迫抗性的潜在机制这些有益微生物还可以在胁迫条件下改善药用植物的品质，尤其是调节次级代谢物质的合成。比如，在干旱、盐胁迫等条件下，接种丛植菌根真菌、芽孢杆菌等可以在促进植物生长的同时协同提高次级代谢物质（如甘草酸、精油、类黄酮等）的含量。这些微生物对植物次级代谢的影响主要是通过改善植物营养吸收、调节植物激素平衡以及促进碳水化合物积累等过程而得以实现。上述发现不仅加深了我们对植物——微生物互作的理解，还为全球气候变化背景下推动药用植物的可持续生产提供了重要参考。
综上所述，植物相关微生物（包括根际和内生微生物）在胁迫条件下与植物共同进化，植物通过招募有益微生物，借助多种生理及生态机制调节宿主抗性并改善品质。未来，应进一步加强对药用植物相关微生物群落的研究，并开发有益微生物或合成菌群相关产品，以保障药用植物在胁迫条件下的生存和品质。
江苏省中国科学院植物研究所孙玉明副研究员为该论文第一作者，孙玉明副研究员与德国马克斯普朗克分子植物生理学研究所Alisdair R. Fernie教授为该论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、江苏省植物资源研究与利用重点实验室开放基金以及德国马克斯普朗克学会的支持。
https://doi.org/10.48130/mpb-0024-0023
mpb-0024-0023.pdf
特邀作者：孙玉明
编辑：顾笑寅
审核：王丽瑶
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About Medicinal Plant Biology
Medicinal Plant Biology 是一本开放获取的期刊，致力于传播药用植物领域的最新研究进展，专注于发表本领域原创研究文章、综述、方法、评论、观点、社论等。期刊主编由中国科学院分子植物科学卓越创新中心陈晓亚院士和John Innes Centre的Cathie Martin院士共同担任。目前期刊已被DOAJ、CABI等数据库收录。
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