文摘
你见过恐龙的照片,意识到有一个手掌,植物在其身边呢?也许你走在你的附近,见过同样的植物吗?难以置信的是,那些古老的植物,叫苏铁植物,已经存在了数百万年。一个苏铁植物能活2000年!我们认为的秘密苏铁植物的生存和长寿是在一个非常特殊的结构称为珊瑚状的根,微生物生活在里面。我们研究这些珊瑚状的根,发现高多样性的细菌物种生活在其中,超过所有人的想象。当我们仔细看看这些细菌,我们发现他们可以产生许多化合物,可以帮助他们完成他们之间的沟通和工厂,运输营养物质,并执行其它功能仍然是一个谜。
苏铁植物:植物比恐龙
苏铁植物是古老的种子植物出现在恐龙时代之前,在二叠纪期间,近2.8亿年前。的恐龙,其中大部分是当别人最终进化成鸟类灭绝了。然而,苏铁植物得以生存,直到今天,仍然看起来几乎完全像他们的祖先,与恐龙同(图1)!如果不够酷,苏铁植物可以生活在极端环境条件非常低营养,其他植物无法生存,包括沙丘,山坡,悬崖,甚至在岩石1]。
- 图1——许多生物出现了,并从地球上消失,而苏铁植物继续生活。
- 外他们的外观是一样的,但我们认为他们的根已经改变,他们的生存的秘密。
苏铁植物如何管理这样的惊人的生存?苏铁植物,像超级英雄,有不同的能力,这让他们能够抵抗困难的环境中,但也许他们关键的超级大国在根部。苏铁植物可以形成独特的根结构珊瑚状的根,它看起来像小海洋珊瑚分支的主要根源。珊瑚状的根获得营养的植物,主要是氮。氮(N2)是一个丰富的气体在大气中。N2可以被某些生物和转化为铵(NH吗3),这是一个营养苏铁植物可以用来生活和成长。这个过程称为固氮。生物固氮是一个函数执行的调用内生菌例如,微生物(细菌),生活在珊瑚状的根。与植物内生菌是一种亲密的互动,共生(2]。
了解cycad-endophyte共生,我们应该考虑自己的身体。我们都听过这个说法,“吃什么像什么”,你也可能听过,我们应该包括某些细菌,称为益生菌,在我们的饮食。饮食确实是一个重要的办法有益菌殖民(生活的)我们的一些组织和器官,如肠道(图2)。有益的细菌生活在美国帮助我们消化食物,产生健康的化学物质,甚至是保护我们免受危险的微生物称为病原体(3]。但是苏铁植物呢?有细菌生活在他们吗?如果是这样,这些细菌在干什么,他们是怎么做到的?科学家们试图回答这些问题了在珊瑚状的根100多年。然而,直到最近,我们发现高多样性的细菌,这些细菌的有趣的功能在珊瑚状的根,包括执行固氮的细菌。
- 图2 -苏铁植物,就像我们的身体一样,有自己的小细菌帮手。
首先,这些细菌甚至是从哪里来的?我们认为这些微生物可能是继承了植物通过种子的母亲,类似于人类的婴儿从母亲获得细菌通过母乳喂养。但大多数珊瑚状的根里面的细菌似乎来自于土壤最靠近根,称为根际。苏铁植物产生的物质吸引了根际细菌。这些细菌附着在苏铁植物表面,进入内部组织的珊瑚状的根,通过许多小孔的墙壁植物的细胞。
我们知之甚少,土壤生物细菌可以进入苏铁植物的根,甚至他们中有多少可以留在那里。有多少种细菌在根?可以所有类型的细菌进入,或者这是一个特殊的细菌“贵宾俱乐部”吗?这些细菌对苏铁植物有什么影响?这些关键问题尚未回答,因为大多数的早期研究进行珊瑚状的根都集中在一个特定类型的细菌蓝藻。在固氮蓝藻是专家,使他们非常重要。但我们认为可能,因为在人类肠道中,可能有多种类型的细菌,而不仅仅是蓝藻。当我们测试这个想法,我们发现还有很多其他微生物在珊瑚状的根,根可能是一种“VIP俱乐部,”仅包含了某些内生菌。
仔细观察苏铁属植物的根
我们的假设是,珊瑚状的根,和所有不同的微生物,在苏铁植物的能力有一个重要的角色在困难的环境中茁壮成长。为了测试这个想法,我们收集珊瑚状的根和土壤样本Dioon苏铁植物的属,从园林和自然区域。属是一组由许多种类密切相关。Dioon苏铁类植物大多是发现在墨西哥和它们濒临灭绝,这使得他们很难找到,所以我们必须非常小心,不要破坏它们。大部分的苏铁植物被种植在难以达及的地方,所以我们必须有正确的工具,很多的决心,和一点点的运气。
我们收集珊瑚状的根样品和储存在液氮(极冷物质与周围温度−200°C)保护DNA。我们也收集了根际土壤和其他周边地区的苏铁。我们分开珊瑚状的根样品来源(自然位置或植物园),观察不同种类的细菌的数量在每个土壤和根样品。
苏铁属植物的许多,许多朋友
我们发现有246属属(复数)的细菌在根和土壤样本,但大多数的细菌样本分为10个属(图3)。这告诉我们,只有几个组的细菌有非常重要的角色。奇怪的是,我们发现大量的蓝藻细菌物种在自然样本高于在植物园样本。为什么我们发现这些差异呢?也许是因为自然地点的土壤养分少于土壤在植物园的锅。这可能意味着蓝藻帮助苏铁植物从土壤中获取营养,且不需要在植物园自然。coralloid-root”贵宾俱乐部”还包括其他固氮细菌除了蓝细菌,如根瘤菌、杆菌、链霉菌属,也被认为是生活在Dioon以外的其他苏铁植物的珊瑚状的根。
- 图3——不同数量和类型的细菌被发现在所有三个隔间:珊瑚状的根,根际土壤和散装的植物进行了研究。
- 细菌在底部列出的类型,和旁边的数字显示每个样本类型节目是否大或小数量的样本类型被发现。这图的结果结合植物自然种群和植物园。你可以看到,只有一些细菌在根,而其他人几乎没有管理发展。
为什么我们叫珊瑚状的根微生物VIP俱乐部吗?因为只有一小部分微生物生活在苏铁属植物能够进入的珊瑚状的根。因此,细菌的数量和类型在珊瑚状的根在大部分土壤和根际不同,见图3。是工厂选择哪些细菌是贵宾俱乐部的成员吗?或者只有某些类型的细菌生存在根?做这些贵宾细菌有具体的能力,使他们成为这个俱乐部的成员吗?科学家们仍然回答这些问题。你怎么认为?
自从Dioon苏铁植物,我们互相学习是密切相关的,我们认为他们都可能让相同类型的细菌进入他们的珊瑚状的根。但我们发现不同类型的细菌在植物的根部生长在自然的网站和一个植物园。我们认为这是由于土壤这些苏铁植物生长,以及相关的植物之间的细微差异。再次思考人类:众所周知,人类基因和饮食形状类型的细菌存在于我们的勇气。它可以适用于Dioon cycads-they可以发出不同的信号,吸引不同种类的微生物的根部。为选择珊瑚状的植物内生菌的确切机制仍然是未知的,和所涉及的因素在选择在每个工厂的VIP俱乐部仍有待发现。
蓝藻帮助苏铁植物如何生存?
是细菌生活在珊瑚状的根神奇的钥匙苏铁植物的生存?为了研究这个,科学家们研究了蓝藻是否能够产生特殊的化合物,可以帮助苏铁植物生存。科学家们寻找的细菌DNA片段编码蛋白质万博manbetxapp最新代谢物下,物质可以帮助生物生存困难的环境条件。我们称这些地区的DNA生物合成基因簇bgc的简称(4]。
科学家寻找77种已知的DNA bgc蓝藻种类密切相关。这些bgc,四人分享在我们发现的所有类型的蓝藻在珊瑚状的根。这些bgc产生一些毒素,可以阻止其他细菌增长,可能保护植物免受伤害。还有代谢物和分子细菌使用与其他内共生体为植物提供营养,如metallic-ion-carrier分子称为含铁细胞。这些分子帮助某些离子的吸收,否则将无法进入工厂。这些离子可以调解一些细菌的代谢反应社区的成员;因此改变微生物的信号接收从环境中。
所以,下一个是什么?
收集的数据在这个研究给了我们一个很好的图片内的细菌群体珊瑚状的苏铁植物的根。我们现在认为可能是苏铁植物自恐龙时代幸存下来而无需改变在外面因为苏铁植物内生菌的变化,提供新的代谢物和能力来处理困难的环境条件。然而,仍然有很多我们不知道这些植物及其内共生体,和科学家们仍在研究他们的交互。
在我们结束之前,我们将提到另一个有趣的观察在我们的研究。时在珊瑚状的根,我们看到另一种生物,几乎没有研究:真菌!到目前为止,所有我们知道的真菌珊瑚状的根是不同类型的真菌生活在一种苏铁属植物。真菌如何影响其他生物以及它们如何与苏铁属植物和细菌内共生体目前未知。我们认为真菌可能充当网络将代谢产物对植物或者植物或细菌时的保护人的性格。但真菌也可以争夺空间内的根,迫使细菌一起工作。正如你所看到的,仍然有很多事情要研究这些古老的植物和它们的珊瑚状的根。我们了解这些植物可能帮助我们理解植物的共生有机体之间的关系最初是如何形成的,以及这些关系如何监管。因为所有已知生物取决于它们之间的关系,这些信息可以告诉我们很多关于生物生存和发展的进化历史,不是孤立的存在,而是部分社区。只有时间会告诉我们未来的发现将显示关于人类世界与分享!
术语表
苏铁属植物:↑非常古老的种子植物,一直延续到我们的日子。他们通过珊瑚状的根可以形成一个独特的共生关系。
珊瑚状的根:↑专门的苏铁属植物根有用的细菌生活的地方。
内生植物:↑任何生物,生活在一个工厂。
共生:↑任何密切和长期两个或两个以上的不同生物之间的关系。
根际:↑在直接接触的土壤植物的根部。
蓝藻:↑微生物的能力做光合作用(就像植物一样!)和固定氮素转化为有用的化合物。
代谢物:↑期间形成的一种物质有机体的代谢。
生物合成基因簇(BGC):↑万博manbetxapp最新的DNA片段,产生特定的物质。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
原始的文章
↑Suarez-Moo, p . J。Vovides,。、Griffth m P。Barona-Gomez F。Cibrian-Jaramillo, a . 2019。解锁高细菌多样性在珊瑚状的根从苏铁属植物属Dioon微生物。《公共科学图书馆•综合》14:e0211271。doi: 10.1371 / journal.pone.0211271
引用
[1]↑Norstog, k . J。尼科尔斯,t . j . 1997。苏铁植物的生物学。纽约:康奈尔大学出版社。
[2]↑Kneip C。洛克哈特,P。VoßC。迈尔,g . 2007。对共生固氮eukaryotes-new模型。BMC另一个星球。医学杂志。7:55。doi: 10.1186 / 1471-2148-7-55
[3]↑基督徒,N。惠特克,b K。粘土,k . 2015。微生物:统一动植物系统通过镜头的社区生态理论。前面。Microbiol。6:869。doi: 10.3389 / fmicb.2015.00869
[4]↑Gutierrez-Garcia, K。、Bustos-Diaz e D。Corona-Gomez, j。Ramos-Aboites, h。E。Selem-Mojica, N。Cruz-Morales, P。,等。2019。苏铁珊瑚状的根包含包括蓝藻和细菌社区茎菌属种虫害编码niche-specific生物合成基因簇。基因组医学杂志。另一个星球。11:319-34。对doi: 10.1093 / gbe / evy266