南京信息工程大学团队：微生物组参与低剂量污染物对植物的刺激效应

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毒物兴奋效应是指较低强度的毒性胁迫因子对生物体不足以造成不良影响或致死，反而能增强生物体的生理性能和健康。这一现象已被视为一种普遍的现象，在各种生物中广泛存在，包括不同的生物分类或功能群、胁迫因子的类型以及潜在的生物机制[1,2]。尽管近年来对植物具有毒物兴奋效应的生理机制的认识已有显著进展，但微生物组在植物对污染物的毒物兴奋效应反应中的作用却知之甚少。

最近，来自南京信息工程大学的Evgenios Agathokleous教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Plant Science上发表了一篇题为“The microbiome orchestrates contaminant low-dose phytostimulation”的综述文章[3]。该论文首次对植物对污染物的毒物兴奋效应如何影响微生物组，以及微生物组如何调节植物毒物兴奋效应进行了的综合分析。该论文为推动这些现象的机制提供了新的见解，并提出了一些具有潜力改变当前研究的新视角，以应对不断受到各种旧化学物质和新型化学物质污染的世界，为改善植物健康提供了新的可能性。

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植物的毒物兴奋效应

毒物兴奋效应已成为健康的八个标志之一[4]。与其他生物一样，植物对环境胁迫表现出毒物兴奋效应，通过低剂量（低于毒理阈值）胁迫的刺激增强其应对胁迫和防止因更大胁迫而造成的过度损害。例如，通过增加光合色素叶绿素含量提高植物的例如光合作用，从而促进植物生长并保持更高的生物量[5]。这些结果源于初始阶段活性化学物质（如过氧化氢）的积累，这些物质在胁迫下会增加，水平过高时对植物产生危害。然而，近些年研究发现，活性氧物种不仅参与信号传导，还对维持健康至关重要，因此，它们适度的增加反而对生物体有益[6]。这些与植物中其他生理机制相关，例如光合作用的非光化学猝灭，它能耗散多余的热量，从而保护光合系统，防止活性化学物质的过度积累[7]。近年来也鉴定出一些参与植物激素反应的受体、关键基因和蛋白质。。然而，目前尚不清楚为什么植物（和其他生物）进化出这一基本生物学特性，以及生态系统中植物对化学污染物的毒物兴奋效应的驱动因素。目前有研究表明，微生物组是植物出现毒物兴奋效应的关键（图1）[3]。

▲图1. 微生物在植物对化学污染物的毒物兴奋效应中的作用概述图。

微生物如何参与植物对污染物的毒物兴奋效应

作者主要探讨了植物受低剂量胁迫刺激时的毒物兴奋效应响应机制，提出毒物兴奋效应刺激可能会改变光合产物及生物量向根部的分配，同时影响根系分泌物和代谢物的数量及组成。所有这些变化共同改变了微生物，特别是依赖于植物光合产物、分泌物和根系的微生物，如共生菌根真菌、内生菌、固氮微生物等。这些植物依赖的微生物在植物受刺激的同时也可能受到刺激，以支持植物刺激下的相关需求，例如通过促进水分和养分的吸收来支持植物的生长。

由于亚毒性化学污染物的直接（化学效应）和间接（植物调节引发的变化）效应，微生物群发生改变，土壤中细菌和真菌的丰度明显变化。化学污染物的存在促进了可降解污染物微生物的繁殖，并使新的微生物物种出现，这些微生物能够利用这些化学物质。此外，土壤中的抗污染基因也有所升高。然而，这些微生物变化对微生物群落结构和组成的影响仍然不清楚。这些变化可能最终影响植物凋落物的分解、养分循环和土壤气体排放，因此需要新的综合研究来阐明这些变化的生态意义。

植物-微生物相互作用在毒物兴奋效应下的表现依赖于土壤特性，如pH值、电导率和溶解性有机碳。此外，土壤微生物群的毒物兴奋效应与土壤酶（如碱性磷酸酶、过氧化氢酶和转化酶）以及反应动力学参数（如米氏常数（Km）、最大反应速率（Vmax）和催化效率（Vmax/Km））的变化呈现类似模式。

为了提供一个说明性示例，以表明诱导植物出现毒物兴奋效应的亚毒性浓度范围的大小，作者将引起植物毒物兴奋效应的浓度与生态毒理学研究中导致鱼类种群半数死亡（LC50）的污染物浓度进行了比较。结果表明，诱导植物毒物兴奋效应的浓度范围从小于0.01倍到高于10,000倍LC50值不等。

作者对这些问题提出了一些具有启发性的见解，并对未来研究进行了展望，为研究如何通过毒物兴奋效应增强植物生态系统适应多种环境变化的潜力奠定了基础。

本文参考文献（上线划动查看）

1. Erofeeva, E.A. (2022) Hormesis in plants: its common occurrence across stresses. Curr Opin Toxicol 30, 100333

2. Erofeeva, E.A. (2022) Environmental hormesis: from cell to ecosystem. Curr Opin Environ Sci Health 29, 100378

3. Agathokleous, E. et al. (2025) The microbiome orchestrates contaminant low-dose phytostimulation. Trends Plant Sci In Press. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2024.11.019

4. López-Otín, C. and Kroemer, G. (2021) Hallmarks of Health. Cell 184, 33–63

5. Dhiman, S. et al. (2024) Heavy metal-induced phyto-hormetic morpho-physio-biochemical adjustments: A critical review. Journal of Plant Growth Regulation 43, 4426–4469

6. Sonmez, M.C. et al. (2023) Reactive oxygen species: Connecting eustress, hormesis, and allostasis in plants. Plant Stress 8, 100164

7. Moustakas, M. et al. (2022) Hormesis in photosystem II: a mechanistic understanding. Curr Opin Toxicol 29, 57–64

论文作者介绍

Evgenios Agathokleous

教授

Evgenios Agathokleous是南京信息工程大学生态与应用气象学院环境变化生态效应团队的教授，江苏省特聘教授，自2019年起在该校工作。在此之前，他在日本森林与林产品研究所完成博士后研究，并获得日本学术振兴会（JSPS）的资助。他在日本北海道大学农业学院取得环境资源博士学位，完成了关于生物圈可持续性科学的研究生课程，并参与了大气和化学胁迫对树木影响的相关研究项目。

Agathokleous教授从事植物对环境胁迫的响应、环境胁迫的生态效应以及环境胁迫防护方法的研究已有近15年，重点聚焦于毒物兴奋效应反应及其深远意义方面的研究。已在Science Advances、Nature Food、Trends in Plant Science和Trends in Ecology and Evolution等期刊上发表SCI论文300余篇。

相关论文信息

相关研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊

Trends in Plant Science，

▌论文标题：

The microbiome orchestrates contaminant low-dose phytostimulation

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1360138524003364

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.tplants.2024.11.019

原标题：《南京信息工程大学团队Trends in Plant Science综述丨微生物组参与低剂量污染物对植物的刺激效应》

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