凝视淡水池塘，您可能会看到一簇簇椭圆形叶子的绿色小植物漂浮在水面上。在杂草丛生的池塘里，这些植物覆盖在水面上。这些被称为浮萍或水扁豆的植物生长速度非常快，它们的数量可以在一到两天内翻倍。但您在池塘里看不到的是植物与试图入侵它们的微生物之间的进化斗争。

植物严重依赖周围的微生物。伴随植物的细菌、病毒、真菌和其他微生物群落被称为微生物群。

微生物组通常特定于特定位置的植物类型。植物微生物组中通常包含有益微生物。但与此同时，植物也需要抵御致病微生物。了解植物如何抵御病原体(或无法抵御病原体)可以帮助科学家了解如何更好地操纵微生物组，从而使生物能源作物受益。

美国能源部科学办公室支持的科学家正在研究细菌如何与植物激素相互作用并影响其生长。

进化的决战

植物抵御微生物的防线之一是气孔。气孔是植物叶子、茎、花和根上的小孔，它们打开和关闭以吸收二氧化碳并释放氧气和水。它们就像城市的大门一样。就像大门一样，气孔为入侵的细菌形成了一个物理屏障。植物有激素来调节保卫细胞是保持气孔打开还是关闭。然而，某些细菌可以破坏这个系统。

在这一进化循环中，另一个关键因素是植物激素——生长素。生长素是影响植物生长发育的重要激素。自然界中最常见的生长素是吲哚-3乙酸，简称IAA。

在植物中，IAA影响细胞的长度、植物对重力方向的反应以及根的结构。为了抵御病原体，植物可以减少IAA的影响。由于植物既需要生长又需要自我防御，因此在需要时增加或减少IAA对它们来说很重要。

但正如进化过程中经常发生的那样，一些细菌发现了这种防御的漏洞。与植物有关的细菌也产生IAA，而且产生方式与植物相似。作为这一过程的一部分，其中一些细菌进化出了对植物IAA管理的超越。它们产生的IAA足以影响植物的化学途径和生长。

受这些细菌影响的植物的生长素通路会比未受这些细菌影响的植物长出更短的主根。它们还会长出更多与地面平行的根，并长出更多根毛(从根表层萌发的微小根细胞)。

深入了解该过程

这些进化斗争不仅仅是一个生态奇迹。它们对生物能源作物生产力、农业生产力和保护也很重要。绘制细菌产生植物激素的方式、时间和地点可以帮助科学家了解植物如何适应不断变化的环境。

增加植物微生物群中特定激素的产量或创建合成微生物群可以帮助农民改善作物生长。了解病原体如何影响根系生长和总体生物量可以让科学家在种植这些植物以制造生物燃料时避免这些问题。

为了研究这种关系，罗格斯大学、田纳西大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员对浮萍进行了研究。浮萍属植物极为常见，研究也十分深入。科学家掌握了大量有关浮萍遗传学的信息，包括不同浮萍种群之间的DNA序列差异。

在之前的一项研究中，该团队对野生浮萍的微生物组进行了取样，发现它与许多常见植物相似。在他们分析的47种细菌菌株中，几乎80%产生了与IAA类似的化合物。在环境分子科学实验室(美国能源部科学办公室用户设施)科学家的支持下，该团队将其中21种菌株接种到浮萍幼苗中。

一些经过处理的幼苗的根系生长情况是常规的“野生型”。一些植物有其他产生活性生长素IAA的细菌菌株。在这些植物中，植物的根系生长得更短，分枝更多。同样，缺少感知生长素存在所需基因的植物对IAA的敏感性低于野生型植物。这些植物对产生IAA的细菌没有反应。

揭露入侵

令人惊讶的是，在21种细​​菌菌株中，只有四种以科学家预期的方式影响植物生长。并非巧合的是，它们是试管中产生最多IAA的菌株。看来，尽管其余菌株可以产生一些与IAA相关的化合物，但数量不足以引发植物的反应。这四种菌株似乎特别擅长突破植物的防御。

但这些细菌是因为IAA还是其他原因而突破了防御?科学家们通过研究缺乏调节生长素基因的突变植物回答了这个问题。他们发现，细菌不能简单地进入植物细胞并在突变植物中定居。显然，这些细菌已经找到了一种破解生长素系统的方法，使其对自身有利。

下一个问题是细菌从哪里进入的。植物的气孔虽然是一种防御机制，但同时也是弱点。研究人员利用特殊染料和显微镜，在野生浮萍的气孔中发现了大量入侵细菌。相比之下，突变植物中的大多数细菌都在表面，无法进入气孔。就像入侵者欺骗城墙门口的守卫一样，成功的细菌利用生长素系统欺骗了保卫细胞。

通过追踪植物和细菌之间这种进化的拉锯战，我们可以发现植物很可能拥有多种针对产生IAA的细菌的防御机制。

虽然植物的叶子和茎在地面上很容易看到，但整个复杂的合作和竞争行为系统却隐藏在人们的视线之外。通过阐明这些关系，科学家们为以更可持续的方式种植用于生物燃料的植物奠定了基础。

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