12月9日，Molecular Plant在線發(fā)表中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究組及合作團(tuán)隊(duì)完成的研究論文Mycorrhizal Symbiosis Modulates the Rhizosphere Microbiota to Promote Rhizobia Legume Symbiosis，該研究通過定量微生物組、微生物共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)及微生物群回接實(shí)驗(yàn)等，揭示叢枝菌根共生與根瘤共生系統(tǒng)在植物根際層面的互作機(jī)制。
陸生植物根系與微生物建立多種多樣的共生關(guān)系，例如，超過80%的陸生植物可以與叢枝菌根（arbuscular mycorrhizal, AM）真菌形成共生關(guān)系，其中豆科植物還可以與根瘤菌形成共生固氮關(guān)系。AM共生與根瘤共生可通過提高植物對(duì)磷和氮的獲取能力，從而協(xié)同促進(jìn)植物生長。AM真菌作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，AM真菌通過菌絲網(wǎng)絡(luò)在地下連接植物，構(gòu)成一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，并影響植物的多樣性。植物根系與微生物建立共生是長期共進(jìn)化的過程。叢枝菌根共生形成于4億6千萬年前，其共生信號(hào)通路被豆科植物進(jìn)一步利用，參與建立豆科植物與固氮根瘤菌的共生。然而，對(duì)AM真菌與根瘤菌在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的相互作用和協(xié)同進(jìn)化卻知之甚少。
生物間的協(xié)同進(jìn)化依賴于相互作用，特別是生物體之間的合作和競(jìng)爭(zhēng)。根周圍的區(qū)域稱為根際，該微環(huán)境代表了植物-微生物和微生物-微生物相互作用的主要生態(tài)位。植物根際微生物組被譽(yù)為植物的第二基因組，其對(duì)于植物的生長發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的根際微生物組研究主要通過細(xì)菌16S rRNA基因或真菌核糖體DNA內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（internal transcribed spacers, ITS）序列的高通量測(cè)序來評(píng)估微生物種群的相對(duì)豐度，但該方法無法提供樣品中微生物的絕對(duì)豐度，阻礙了跨界微生物間（如AM真華佗鎖精丸到那里買菌與根瘤菌）相互作用的研究。實(shí)驗(yàn)室前期基于微生物群定量分析（quantitative microbiota profiling, QMP）發(fā)現(xiàn)，根際土中細(xì)菌的數(shù)目是根外土的近10倍，且主要菌門在根際土中的絕對(duì)豐度都被顯著擴(kuò)增，基于此，研究提出“擴(kuò)增-篩選”的根際微生物組的組裝新模型（An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly, Science Bulletin, 2020）。
該研究在自然土壤條件下種植野生型蒺藜苜蓿以及AM共生和/或根瘤共生缺陷的突變體，通過16S rRNA基因高通量測(cè)序和微生物群定量等研究了根際和根樣本中的細(xì)菌微生物含量。研究發(fā)現(xiàn)，菌根共生缺陷顯著降低了細(xì)菌微生物群——根瘤菌目尤為明顯——在植物根際的增殖，并改變了根際及根內(nèi)微生物組的種群結(jié)構(gòu)。基于微生物共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)根瘤菌目的細(xì)菌在菌根共生正常的植物根際中處于核心地位，菌根共生的缺失影響了該網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。研究進(jìn)一步通過根瘤菌rpoB基因和AM真菌SSU rRNA基因的高通量測(cè)序和微生物群定量研究了根際微環(huán)境中AM共生與根瘤共生之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)AM共生可以促進(jìn)多種共生根瘤菌種群在根際的增殖。根際微生物群回接研究表明，AM共生影響的微生物群落可以促進(jìn)自然土壤中不同豆科植物結(jié)瘤。研究發(fā)現(xiàn)，豆科植物與根瘤菌共生關(guān)系的建立是植物-根瘤菌-環(huán)境三者相互作用的結(jié)果，AM真菌龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)在給植物提供營養(yǎng)的同時(shí)，也幫助植物根系富集根瘤菌，促進(jìn)豆科植物與根瘤菌的共生。該研究從根際層面揭示了叢枝菌根共生與根瘤共生在植物適應(yīng)陸地環(huán)境過程中的協(xié)同進(jìn)化。
該研究工作由分子植物卓越創(chuàng)新中心王二濤研究組與深圳華大生命科學(xué)研究院高級(jí)工程師劉歡研究組、河南大學(xué)教授張學(xué)斌研究組合作完成。分子植物卓越中心博士王孝林為論文第一作者，王二濤、劉歡和張學(xué)斌為論文的共同通訊作者。研究工作得到中百草堂生物華佗鎖精丸科院、國家自然基金委員會(huì)和國家基因庫的資助。
吃華佗鎖精丸備孕行嗎分子植物卓越中心等揭示叢枝菌根共生與根瘤共生的協(xié)同進(jìn)化機(jī)制
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