2021年，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤團隊在《Molecular Plant》發(fā)表了“Mycorrhizal Symbiosis Modulates the Rhizosphere Microbiota to Promote Rhizobia Legume Symbiosis”研究論文，該研究通過定量微生物組、微生物共發(fā)生網絡及微生物群回接實驗等揭示了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制。

期刊：Molecular Plant

影響因子：21.949

發(fā)表時間：2021

樣本類型：根、根際土

一、研究背景

植物與共生真菌（如叢枝菌根（AM）真菌和細菌、根瘤菌）建立共生關系，以交換關鍵的營養(yǎng)物質和茁壯成長。植物和共生體共同進化，代表著陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。植物利用祖先的AM信號通路在其根中建立細胞內共生，包括豆科植物-根瘤菌共生。然而，AM和原生土壤中根瘤菌共生之間的關系尚不清楚。

二、實驗設計

本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基因高通量測序（341F-806R）和固氮根瘤菌群定量（rpoB1479F-rpoB1831R）等研究了根際和根樣本中的細菌微生物含量。

三、實驗結果

1、存在AM共生缺陷的突變體在原生土壤中表現(xiàn)出不同的表型和根系轉錄組

與WT相比，在M^-植物的根部，AM真菌VT（virtual taxa）的微生物數(shù)量較低，尤其在的AM共生缺陷的突變體dmi3和pt4的根部未檢測到VT（圖1A）。進一步檢查這些植物根中的總磷含量發(fā)現(xiàn)，M⁺R^-植物根部的總磷最高，其次是野生型WT（圖1B），與根部AM真菌VT的微生物數(shù)量一致。

轉錄組分析發(fā)現(xiàn)與M⁺植物根系相比，M^-植物根系表現(xiàn)出獨特的轉錄組（圖1C）。菌根誘導的基因在M^-植物中沒有被誘導（圖1C）。

圖1 WT A17和原生土壤中根瘤菌和叢枝菌根共生缺陷突變體的微生物區(qū)系和轉錄組譜

2、共生關系影響根室中微生物群的頻率和負荷

標準RMP顯示，野生型和突變型植物的根際和根部細菌在門分類水平的分布頻率顯著不同（圖1D）。AM共生功能缺陷影響Proteobacteria在根際發(fā)生定殖。此外，與WT相比，M^-突變體根中Actinobacteria的相對豐度降低以及Alphaproteobacteria，Chloroflexi和Deltaproteobacteria的相對豐度增加；在M⁺R^-突變體中，Bacteroidetes和Betaproteobacteria的相對豐度降低，說明AM共生和根瘤菌共生均會影響細菌不同亞群在根部定植。

QMP數(shù)據(jù)顯示，野生型和共生突變體間根和根際土壤中的細菌載量也顯著不同（圖1E）。與WT相比，M⁺R^-突變體在根際中顯示出較高的細菌數(shù)量，但在根部中顯示出較低的細菌數(shù)量。

3、AM共生的缺陷減少了根際根瘤菌分支的負荷

CAP與ANOSIM分析發(fā)現(xiàn)根際和根系所有M^-突變體中的菌群均與能夠形成AM共生（WT和M⁺R^-突變體）的菌群沿第一個主坐標明顯分開。相反，單獨的根瘤菌共生缺陷突變體（M⁺R^-）不會導致對根際和根的細菌群落產生一致的影響（圖2A, B）。因此，AM共生是維持正常根內和根際微生物區(qū)系所必需的。

進一步在ASV水平分析了共生對根際菌群的影響。與野生型WT相比，WT與共生突變體的根際細菌群落中共有85個ASVs的絕對豐度發(fā)生了顯著變化（圖2C），而根細菌群落中有52個ASVs的絕對豐度發(fā)生了顯著變化。綜上所述，植物的AM共生功能缺陷對M. truncatula根-土壤界面中的細菌群落絕對豐度有顯著影響，主要反映在根際根瘤菌目進化枝中細菌類群的數(shù)目下降。

圖2 AM共生需要在原生土壤中組裝一個正常的根系相關微生物區(qū)系

4、AM共生影響細菌共豐度網絡中的根瘤菌樞紐

基于ASVs之間的顯著相關性，分析了細菌共發(fā)生網絡。結果表明，在WT和M⁺R^-植物根際中，有38.6%共發(fā)生網絡的邊與屬于根瘤菌目的細菌互作（圖3A）。這表明根瘤菌目細菌可能是形成AM共生的植物根際微生物網絡中的核心微生物類群。在不能形成AM共生的植物的根際微生物網絡中，只有33.8％與ASVs相互作用的邊緣屬于根瘤菌目（圖3B）。此外，根瘤菌目ASVs也被鑒定為M⁺植物根中微生物共發(fā)生網絡中的主要類群，而Actinomycetales和Xanthomonadales ASVs則作為M-根中微生物共發(fā)生網絡中的主要類群（圖3D-F）。

圖3 AM共生影響數(shù)量微生物共豐度網絡中的根瘤菌樞紐

5、AM共生促進了根瘤菌在根際的積累

為了進一步測定AM共生對根瘤菌類群的潛在影響并克服16S rRNA分析中識別細菌物種的局限性（16S rRNA無法定種），對rpoB基因進行測序特異性地定量了根瘤菌種群的絕對豐度。rpoB高通量測序總共鑒定出56種共生根瘤菌rpoB ASVs，屬于16種已有記錄的豆科植物的根瘤菌種，其中Rhizobium anhuiense和Pararhizobium giardinii在根際中占主導地位，而S. medicae和R. anhuiense在根中占主導地位。

為了測試非豆科植物中是否也發(fā)生了AM共生引起的根瘤菌積累，對三種玉米自交系的根際土壤中AM真菌VTs和根瘤菌的絕對豐度進行定量，結果表明在AM定殖率較高的玉米品系的根際土壤中，根瘤菌rpoB序列的總豐度和P. giardinii, S. adhaerens, S. meliloti的豐度明顯更高。

圖4 AM共生促進了根瘤菌在根際的積累和根瘤菌在原生土壤中的有效結瘤

6、AM促進根際定殖的微生物群落可以促進不同豆科植物的結瘤

為了測定蒺藜苜蓿根際中AM共生促進的根瘤菌積累是否影響自然土壤中的根結瘤，對野生型和突變植物的根瘤數(shù)進行測定。與已發(fā)布的數(shù)據(jù)一致，lyk3，nfp，dmi2和dmi3突變體沒有形成根瘤，而ipd3在其根部形成了小的白色凸起。與野生型植物相比，只有25％的pt4突變體在自然土壤中形成有效瘤，但100％的pt4突變體可以在無菌蛭石中接種根瘤菌后出現(xiàn)有效瘤（圖4C和D）。

對四種豆科植物的結瘤現(xiàn)象進行分析以此來判斷AM共生促進的蒺藜苜蓿根際微生物群落對于自然土壤中的豆科植物結瘤是否重要。對于其他三類豆科植物，與WT植物相比，接種M^-（pt4和dmi3）植物的稀釋根際微生物群落導致每株植物的有效瘤數(shù)顯著減少（圖4E）?？偟膩碚f，在根瘤菌貧瘠的自然土壤中，AM共生植物促進的根瘤菌在根際土中的積累可能會促進后續(xù)豆科植物的結瘤固氮。

四、研究結論

綜上所述，該研究表明，豆科植物與根瘤菌共生關系的建立是植物-根瘤菌-環(huán)境三者相互作用的結果，AM真菌龐大的菌絲網絡在給植物提供營養(yǎng)的同時，也幫助植物根系富集根瘤菌，促進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陸地環(huán)境過程中的協(xié)同進化。

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