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细菌如何引发全球第五大粮食作物抵抗致命的真菌

高粱双色炭疽病破坏了全世界抗旱和耐热谷物的作物。根瘤菌引发可以增强植物对各种不利条件(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对启动处理如何增强植物的“安全系统”进行了更强,更快的防御。

他们使用代谢组学和机器学习算法,确定了高粱植物对真菌侵袭的化学反应的变化。

低成本方法可用于对抗具有重要经济意义的粮食作物中的其他病原体。

真菌操作

该真菌 炭疽病sublineolum偷偷到它在许多方面的主机。它可能已经在土壤,腐烂的植物或设备上徘徊了多年。它喜欢在潮湿和温暖的条件下的初雨时突袭。

它进入植物的气孔或“通风口”,起初不会破坏任何东西。相反,它是在工厂内繁殖的第一要务。在此阶段,它以植物为食,而不会对农民造成可见的损害。

但是,一旦真菌真正入侵了宿主,它就会从不需要的寄生虫转变为大规模驱逐舰。就像轻拂了一个开关一样,它开始拆除植物的结构支撑和单元。这样,木耳就可以满足其贪食欲,并准备繁殖。

在这个阶段,破坏性疾病在植物的外部变得可见。高粱炭疽病或枯萎病会在叶子和茎上造成斑点。斑点扩大成可以完全覆盖叶子的病斑。

入侵的植物没有机会。

除非事先有友好的细菌与植物合作。植物与细菌之间的相互作用可以打开植物的“安全系统”,只要它足够灵敏,快速且坚固,就可以抵御真菌。

高粱炭疽病是由真菌Colletotrichum sublineolum或简称CS真菌引起的。像大多数真菌一样,这种真菌是挑食性的。它擅长于攻击任何年龄的高粱植物。有时它有利于接近收获的植物。当它侵袭时,它可以破坏整个谷物田,使作物的产量损失高达70%或更多。

应对气候

“在气候变化时代,我们预计干旱和过热的时间会更长。在间歇性和更严重的洪灾中,农作物也将不得不生产。现在是时候使我们现有的农作物适应我们所处的条件了,”他说。伊恩·杜贝里教授。他是南非约翰内斯堡大学植物代谢组学研究中心的主任。

全球第五大粮食

主要种植用于商业或维持生计的高粱品种是双色高粱。它是非洲原住民,在许多国家用作食品,饲料和生物燃料。

按年产量计算,它是世界第五大粮食作物。高粱是维持粮食生产的自给农民的粮食安全的关键。

该作物在西非被称为大米和几内亚玉米,在苏丹被称为杜拉,在非洲东部被称为mtama,在印度被称为jowar,在中国被称为高良。据粮农组织称,而在美国通常被称为“粟米”或“玉米粟米”。其他名称包括feterita,jwari,willu,cholam,jola,dari和solam。

某些品种高度干旱和耐热。

昂贵的防御

一些双色高粱品种对CS真菌的抗性比其他品种高。但是,最有生产力的品种往往对CS真菌的抵抗力较小。此外,激活和行使这种抵抗力对植物和农民来说都是有代价的。

高粱植物在防御方面需要付出的努力越多,它将产生的种子就越少。它可能能够自我防御,因此拥有健康的叶子和茎,但最终产生的农作物产量要低得多。它甚至可能在此过程中死亡。

而且,喷洒杀真菌剂很昂贵,并且会影响环境。因此,最好是采用一种更具可持续性的方式来保护高粱。

启动防御

用高粱根部的友好细菌对高粱植株进行初生,可使它们的叶片更耐CS真菌的侵害。含有这些根瘤菌的生物肥料在商业上用于高粱和其他农作物。

在工业上,这些被称为“促进植物生长的根际细菌”或PGPR。种子可以用生物肥料包被,土壤或植物可以用它喷洒。

但是,启动方法如何和为什么能杀死谷物作物上的CS真菌等病原体尚不清楚。

植物代谢组学破解了更严格的安全系统

Ian Dubery教授和Fidele Tugizimana博士解释了用根瘤菌引发如何对双色高粱起作用。Tugizimana是研究中心的研究助理。

Dubery说:“高粱植物及其所接种的根瘤菌,可以使植物的'安全系统'处于更高的警戒状态。它还可以更快地发挥作用,对侵袭性真菌的反应也更强。”

在没有真菌侵袭的情况下,生活在根际(植物根部周围的区域)中的细菌以多种方式帮助植物。例如,它们使植物更容易消化磷酸盐等营养物质。并把氮固定在土壤上,使其更肥沃。

反过来,植物通过释放所需的化学物质来帮助细菌。

为了和平与战争

研究人员在实验室的托盘中种植了高粱品种。在植物达到30厘米的高度后,他们在根部施加根际细菌以引发植物。这些细菌生活在靠近植物根部的土壤中,被称为根际。该工厂生产化学药品并将其发送到根际以供细菌使用。

研究人员想找出的是“化学通讯”如何在健康植物内外运行。他们分析了植物在其叶,茎和根中以及根际中细菌感染的土壤中合成的化学物质。

由此,他们可以绘制出植物根与细菌之间如何“交谈”的图片。他们还可以阐明根,茎和叶如何“交谈”以支持与细菌的有益关系。

这给了他们根际细菌引发的健康植物的代谢组学“特征”。

他们另一半的植物感染了CS真菌,以了解它会严重影响高粱品种。他们再次分析了叶,茎,根和细菌接种土壤中的代谢“鸡尾酒”。这为他们提供了一种初免的,被感染的植物的代谢组学特征。

大数据分析

他们对相同品种的高粱重复了整个过程,只有一个例外。他们没有用细菌给根部打底。现在,他们可以看到不加注油的情况下,“安全响应”的弱化程度。

所有这些生化分析都产生了大量的复杂数据,其容量超过200 GB。为了理解所有这些,他们采用了大数据分析,这是检查和挖掘大型复杂数据集的复杂过程。

在此过程中,使用了诸如机器学习,化学计量学,多元统计分析和数学方法之类的技术。通过这种方式,他们可以提取信息,从而可以得出更准确的结论和假设并自信地制定。

化学防御的变化

现在他们可以看到高粱植物为捍卫自己而制造了什么新的“鸡尾酒”。以及在发芽​​细菌的帮助下,与植物健康时相比,这些鸡尾酒如何更加多样化和浓缩。

研究人员还可以看到CS真菌侵染时,引发的植物使用了什么新的“鸡尾酒成分”。

在被真菌感染后的一到三天,已引发的植物产生的植物激素的量是未引发的植物的几倍,特别是羟基茉莉酸-葡萄糖苷和玉米素。

引发的植物还合成了大量的氨基酸酪氨酸和羟基色氨酸,而未引发的植物仅合成了少量的氨基酸。他们产生的色氨酸也比平时多三倍。

同时,引发的植物增加了脂质,特别是植物鞘氨醇的产量。相比之下,未引发的植物产生的脂质比例很小。

引发的植物从根本上减少了产生的(异)黄酮类化合物,特别是芹菜素和木犀草素。

解码安全系统

“我们发现,初免高粱植物具有更敏感的植物安全系统。与不进行初免处理相比,它们启动这些系统的速度更快。初免植物对真菌侵袭的反应也更好。与非高粱相比,它们的感染率要低得多,症状发展也要少得多。底漆的植物。” Tugizimana说。

即使在CS真菌感染后的第9天,很少有初免的高粱植物出现症状。有症状的人很少有叶子受到影响。病变可描述为局部超敏反应。他补充说,没有一个病灶扩散到整个叶片表面。

他们通过代谢组学分析发现了植物如何防御自己。

“我们发现有益细菌与高粱植物根部的相互作用如何改变植物防御自身的能力。引发的高粱植物会改变其分配能量的方式,并将其代谢途径更多地转向防御力,而不是生长或种子生产。通过改变保护化学物质的成分来抵抗真菌,这就是它开始制造新的“鸡尾酒”以增强其化学防御力的方式。

Tugizimana说:“引发的高粱植物对真菌的侵袭更敏感,反应更快,反应更激烈。因此,可以说植物有益细菌支持植物启动更有效的防御。”

低成本的可持续农业生产方法

结果铺平道路,类似的研究在其他经济作物的重要病原体对抗植物 Dubery说。

“用根际细菌进行灌浆可以使易感植物更耐病,并且使耐病植物更耐病。这意味着启动或预处理可以提高作物产量并减少农药的使用。这是一种有前途,可持续和低成本的选择以便在现实世界的农业条件下获得更有效的抵抗,在这种条件下,许多病原体威胁着粮食作物。”

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