研究人员解释了细菌如何引用重要的全球粮食作物对致命的真菌

Anthracnose Alert：细菌如何将第五个最大的全球粮食作物与致命的真菌

高粱双子染色的炭疽病摧毁了世界干旱和耐热谷物的作物。用根瘤菌引发灌注可以提高植物的抵抗和耐受诸如微生物攻击的广泛不良条件。

约翰内斯堡大学研究人员解释了如何增强植物的“安全系统”，以更强大，更快的防御。

使用代谢组和机器学习算法，它们确定了高粱植物对真菌攻击的化学反应的变化。

低成本方法可用于在经济上重要的食物作物中抵消其他病原体。

真菌Modus Operandi.

真菌Collettrichum sublineolum以多种方式潜入其宿主。它可能已经在土壤中悬挂在腐烂的植物物质或设备上。它喜欢在潮湿和温暖条件下的第一个下雨。

它进入了植物的气孔或“空气通风口”，并没有起初不丢死。相反，它将工厂乘以第一优先权。在这个阶段，它在植物上喂食而不会导致农民可见的损坏。

但是，一旦真菌真正入侵其主机，它就会从不需要的寄生虫切换到批发驱逐舰。好像开关被轻拂一样，它开始拆除植物的结构支撑和细胞。这种方式真菌喂养贪婪的食欲，并准备好生育。

在这个阶段，毁灭性疾病在植物的外部变得可见。高粱炭疽病或枯萎病，导致叶子和茎上的斑点。斑点扩展到可以完全覆盖叶片的病变。

入侵的植物并没有机会。

除非友好的细菌事先与植物合作。相互植物 - 细菌相互作用可以打开植物的“安全系统”，如果它是敏感，快速，足够强大的话，可以抵抗真菌。

高粱炭疽病是由真菌Collettrichum子内olum，或短的Cs真菌引起的。真菌是一个挑剔的捕食者，因为大多数真菌是。它专注于攻击任何年龄的高粱植物。有时它有利于植物更接近收获。当它确实攻击时，它可以摧毁谷物的整个领域，作物产量损失高达70％以上。

应对气候

“在气候变化时代，我们期待更长的干旱和过度的热量。作物植物也必须在间歇性和更严重的洪水期间产生。现在是时候适应现有的作物植物，以便在接近我们的条件下，“Ian Dubery教授说。他是约翰内斯堡大学在南非的植物代谢组学研究中心主任。

全球第五大粮食

大多种植用于商业或生存的高粱种类是高粱双子石。它是非洲的土着土着，并用于许多国家的食品，饲料和生物燃料。

按年度卷，它是世界上第五大粮食作物。高粱是生产粮食的生存农民的粮食安全的关键。

该作物被称为大米和豚鼠在西非，在苏丹的Dura，东非的Mtama，印度的Jowar和中国的高山;据粮农组织称，虽然它通常被称为美国米洛或米洛玉米。其他名称包括FETERITA，JWARI，WASSU，CHOLAM，JOLA，DARI和SOLAM。

某些品种是高度干旱和耐热性的。

昂贵的防御

一些高粱双子的肌肉比其他品种更耐受CS真菌。然而，最富有成效的品种往往对CS真菌的抵抗力较小。此外，激活和锻炼阻力以代价 - 到工厂和农民。

高粱工厂越难以努力打球，它将产生的种子越少。它可能能够保护自己，所以它具有健康的叶子和茎，但它最终可能产生的作物产量更少。它甚至可能会在过程中死亡。

此外，喷涂杀菌剂是昂贵的并且可以影响环境。因此，保护​​高粱的可持续方式是更可取的。

灌注防御

引发高粱植物在根系周围有友好的细菌，可以使它们的叶子从CS真菌的攻击更抗病。含有这些根瘤菌的生物元素用于商业上用于高粱和其他作物。

在工业中，这些被称为“植物生长促进relizobacteria”或PGPR。种子可以涂有生物元化器，可以用它喷雾土壤或植物。

但是如何以及为何原创作品丧失病原体，例如谷物作物上的CS真菌是未知的。

植物代谢组种解码更加艰难的安全系统

Ian Dubery教授和菲德尔蒂·蒂尤尼亚博士解码了如何以及为何与rozobacteria在高粱双子上工作。Tugizimana是研究中心的研究助理。

“高粱植物和它们被引发的robogacteria，团队队伍在更高的警报上获得植物的安全系统。Dubery说，它还表现得更快，并具有更强的反对攻击真菌。“

没有真菌发作，生活在根际的细菌（植物根源周围的区域），帮助植物以多种方式。作为一个例子，它们使工厂更容易消化磷酸盐等营养物质;并将氮气固定在土壤中以使其更肥沃。

轮到轮，植物通过释放所需的化学品来帮助细菌。

和平与战争

研究人员在实验室中种植了托盘的高粱品种。在植物达到30厘米的高度后，它们将根部施加在根部上以使植物占据。这些细菌生活在靠近植物根源的土壤中，这被称为根际。该植物制造化学品，并将它们送入根际以供细菌使用。

研究人员想知道的是什么，是“化学通信”在健康植物周围工作。他们分析了植物在其叶，茎和根部合成的化学品，以及根际的细菌接种土壤。

从这里，他们可以建立植物根源和细菌“互相谈话”的照片。他们还可以解开根，茎和叶子如何互相讨论，以支持与细菌的有益关系。

这给了他们一种用根瘤菌引起的健康植物的代谢物“签名”。

他们感染的另一半植物，他们感染了CS真菌，看看它会影响那种高粱品种的程度。同样，它们分析了叶子，茎，根部和细菌接种土壤中的代谢性“鸡尾酒”。这给了他们灌注，受感染植物的代谢组签名。

大数据分析

他们重复了同类的整个过程，有一个例外。他们没有细菌的根源。现在，他们可以看到“安全响应”在没有引发的情况下疲弱程度。

所有这些生化分析产生了大量的复杂数据，体积超过200千兆字节。为了理解所有这些，他们都使用了大数据分析，这是一个复杂的检查和挖掘大型和复杂数据集的过程。

沿途，使用了机器学习，化学测定学，多变量统计分析和数学方法的技术。通过这种方式，他们可以提取信息，从而可以绘制和自信地制定更准确的结论和假设。

化学防御的变化

现在他们可以看出新的“鸡尾酒”是什么制造的高粱植物捍卫自己。以及这些鸡尾酒如何更加佩戴并伴随着灌注细菌的帮助，而不是当植物健康时。

研究人员还可以看到新的“鸡尾酒成分”在CS真菌攻击时使用的灌注植物。

用真菌感染后一到三天，灌注植物产生多次植物激素的数量，而不是非灌注植物，特别是羟基氨基酸 - 葡糖苷和扎丁蛋白。

灌注植物还合成了大量的氨基酸酪氨酸和羟基 - 色氨酸，其非灌注植物使得少量。它们也产生了比通常的色氨酸多三倍多。

同时，灌注植物升高了脂质的生产，尤其是植物磷酸盐。相比之下，非灌注植物产生了微小的脂质部分。

灌注植物彻底切割回生产（ISO）类黄酮，特别是在Apigenin和Luteolin上。

解码安全系统

“我们发现引发的高粱植物具有更敏感的工厂安全系统。它们会在没有引发的情况下更快地切换这些系统。灌注植物也会更好地对真菌发作进行反应。与非灌注植物相比，它们具有更低的感染率和症状开发减少，“Tugizimana说。

即使在患有CS真菌感染后的九天，也有很少的灌注高粱植物显示出症状。有症状的症状有很少的叶子受到影响。病变可以被描述为局部的过敏反应。他补充说，没有病变甚至蔓延到整个叶子表面上。

他们发现使用代谢组科分析，植物如何能够捍卫自己。

“我们发现有益细菌与高粱植物根系的相互作用如何改变植物捍卫本身的能力。引发的高粱植物改变了它如何分配能量，并将其代谢途径重定向到防御，而不是生长或种子生产。通过这种方式，它会改变其保护化学物质的组成以抵抗真菌。这是它如何开始制作新的“鸡尾酒”来提高其化学防御。

“灌注的高粱植物对真菌攻击更敏感，更快，更强烈地反应。所以我们可以说植物有益的细菌支持工厂推出更高效的防守，“蒂吉吉亚纳说。

农业低成本可持续的方法

Dubery表示，结果为对抗衡病原体的抗衡病原体的类似研究铺平了途径。

“用流动杆菌引发可以使易感植物更容许耐受性和耐受性植物更耐受疾病。这意味着启动或预调节，可以增强作物产量并减少杀虫剂的使用。这是一个有希望的，可持续和低成本的选择，在现实世界养殖条件下获得更有效的抗性，许多病原体威胁粮食作物，“他补充道。

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参考：“解开高粱双子果实询问后的新陈代谢重新修正的高粱子宫内玉米柳胺醛玉米蛋白，Paul A.斯丁坎普，Lizelle A. Piarter，Nico Labuschagne和Ian A. Dubery，2019年9月20日，Metabolites.doi ：
10.3390 / METABO9100194

约翰内斯堡大学植物代谢组研究中心专注于使用代谢组工具和方法对植物压力条件的基础和应用研究。正在进行的项目包括植物微生物相互作用的植物化学方面，诱导的防御反应和先天免疫。

比勒陀利亚大学植物和土壤科学系Nico Labuschagne教授提供了一种帕尼布危机菌株，并提供了菌株的照片。

Agricol提供了高粱种子[高粱双子（L.）Moench]，甜蜜的南非品种，NS 5655。

南非国家研究基金会支持赠款号95818和Fidele Tugizimana博士的奖学金支持。约翰内斯堡大学向菲德尔蒂·蒂尤那尼亚博士提供了奖学金支持。