陆地植物——主要生活在陆地栖息地并在地球上形成植被的植物——通过它们的根锚定在地面上，它们的表现取决于地下土壤条件和地上气候。植物利用阳光生长，通过光合作用的过程，光能在植物细胞的动力源——叶绿体中转化为化学能。因此，叶绿体通过叶绿素等光吸收色素感知到的光的数量和质量是影响植物生长和健康的决定性因素。在光能转化为化学能的过程中产生的大量化合物，称为光同化产物 (主要是糖)，被转移到植物根室，并投资于周围的土壤，以维持微生物的生长。因此，根系孕育着复杂的细菌和丝状真核生物群落，这些群落的组成深刻影响着植物的生长性能。然而，植物在多大程度上可以利用地下微生物来协调地面上的胁迫反应仍未被探索。现在，在《Nature Plants》杂志上发表的一项新研究中，Stéphane Hacquard 和他来自德国科隆 MPIPZ 植物微生物相互作用部的同事们阐明了这些地上 - 地下的联系。
为了解决这一问题，该研究的第一作者 Shiji Hou 进行了可以控制地上光照条件和地下微生物条件的实验。通过比较在没有根微生物的情况下生长的拟南芥与由 183 种细菌、24 种真菌和 7 种卵菌组成的复杂群落所定殖的拟南芥的生长，研究人员观察到，微生物的存在拯救了在弱光条件下观察到的植物生长缺陷。叶片病原菌的接种试验进一步表明，与无菌对照相比，被微生物侵染的植物对地上叶病原菌的抗性也更强，说明根际微生物的存在可以促进植物的生长和在弱光下的防御。
在没有根的微生物 (如无菌) 殖民地的一个复杂的社区 183 个细菌, 真菌和 24 日 7 卵菌纲, 研究者观察到微生物的存在获救在低光条件下观察到的植物生长缺陷。叶片病原菌接种实验进一步表明，微生物定植的植株对地上叶病原菌的抗性也高于无菌对照植株，说明根系微生物的存在既能促进植株生长，又能提高植株在弱光下的防御能力。
通过比较两种光照条件下定殖植物的生长和防御反应，科学家们观察到，投资于低光照条件下的生长是以防御为代价的，因为微生物群诱导的防御反应减少了，植物在低光照下更易受叶病原菌的影响。基于这一观察，研究的作者假设，当光照条件不理想时，植物更喜欢微生物诱导的生长而不是微生物诱导的防御反应。为了验证这一假设，研究人员筛选了不同的拟南芥突变体来鉴定那些在弱光下不能生长的植物。与他们的假设一致，鉴定出的突变体更能抵抗叶片病原菌。此外，科学家们发现，在弱光条件下，宿主转录因子 MYC2 的存在对于促进微生物群诱导的生长而不是微生物群诱导的防御至关重要。
研究人员接着调查了地下微生物群落的组成是否可以解释在低光照下以牺牲防御为代价的地上生长投资。为了做到这一点，他们分析了不同拟南芥，并观察到不同植物在弱光下是否投入生长，细菌群落组成明显不同。这项实验导致了 67 个细菌菌株的鉴定，这些菌株被预测与弱光下的植物生长拯救有关。为了测试潜在的因果关系，研究人员准备了三个不同的细菌群落，由以下两种菌组成：1）全部 183 株，2）183 株缺少 67 株对生长拯救很重要的菌株，或 3）67 株单独存在。值得注意的是拟南芥在弱光条件下，有 67 个成员群体的拟南芥野生型植物对生长有贡献，而缺乏这些菌株群体的拟南芥野生型植物则没有，反而有利于更好地抵抗病原菌的侵染。
用研究负责人 Stéphane Hacquard 的话来说:“我们的研究结果表明，植物的生长和防御反应与根系微生物群之间存在着不同的反馈回路，这取决于地上部分的光照条件。光诱导的根系分泌物的变化可能是一种重要的机制，它刺激了促进植物生长的特殊有益细菌根系共生体的生长，以牺牲在弱光下的防御反应。”
在植物中存在的微生物 - 根 - 芽 - 回路的观察，让人想起最近在动物中获得的微生物 - 肠道 - 大脑轴的研究结果，在动物中发现了肠道共生体和大脑功能之间的直接联系。结果表明，细菌根系和肠道共生体不仅在调节局部的应激反应中起着重要的作用，而且在远端宿主器官中也起着重要的调节作用。
这些发现对于利用地下微生物促进植物地上部分的胁迫响应具有重要的应用价值。通过应用这项研究中获得的知识，现在可以设想设计具有模块化功能的合成微生物群落，可用于促进植物对特定生物或非生物逆境的抗性，并最终促进植物在自然界中的健康。