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2021年，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤團(tuán)隊(duì)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(guò)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(jī)制。 期刊：Molecular Plant 影響因子：21.949 發(fā)表時(shí)間：2021 樣本類型：根、根際土 植物與共生真菌（如叢枝菌根（AM）真菌和細(xì)菌、根瘤菌）建立共生關(guān)系，以交換關(guān)鍵的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和茁壯成長(zhǎng)。植物和共生體共同進(jìn)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(hào)通路在其根中建立細(xì)胞內(nèi)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(guān)系尚不清楚。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 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(guò)16S rRNA基因高通量測(cè)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(xì)菌微生物含量。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(zhuǎn)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(cè)到VT（圖1A）。進(jìn)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(zhuǎn)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(dú)特的轉(zhuǎn)錄組（圖1C）。菌根誘導(dǎo)的基因在M-植物中沒(méi)有被誘導(dǎo)（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(zhuǎn)錄組譜2、共生關(guān)系影響根室中微生物群的頻率和負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)RMP顯示，野生型和突變型植物的根際和根部細(xì)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(duì)豐度降低以及Alphaproteobacteria，Chloroflexi和Deltaproteobacteria的相對(duì)豐度增加；在M+R-突變體中，Bacteroidetes和Betaproteobacteria的相對(duì)豐度降低，說(shuō)明AM共生和根瘤菌共生均會(huì)影響細(xì)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(xì)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(xì)菌數(shù)量，但在根部中顯示出較低的細(xì)菌數(shù)量。3、AM共生的缺陷減少了根際根瘤菌分支的負(fù)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(gè)主坐標(biāo)明顯分開。相反，單獨(dú)的根瘤菌共生缺陷突變體（M+R-）不會(huì)導(dǎo)致對(duì)根際和根的細(xì)菌群落產(chǎn)生一致的影響（圖2A, B）。因此，AM共生是維持正常根內(nèi)和根際微生物區(qū)系所必需的。進(jìn)一步在ASV水平分析了共生對(duì)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(xì)菌群落中共有85個(gè)ASVs的絕對(duì)豐度發(fā)生了顯著變化（圖2C），而根細(xì)菌群落中有52個(gè)ASVs的絕對(duì)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(duì)M. truncatula根-土壤界面中的細(xì)菌群落絕對(duì)豐度有顯著影響，主要反映在根際根瘤菌目進(jìn)化枝中細(xì)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(gè)正常的根系相關(guān)微生物區(qū)系4、AM共生影響細(xì)菌共豐度網(wǎng)絡(luò)中的根瘤菌樞紐基于ASVs之間的顯著相關(guān)性，分析了細(xì)菌共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明，在WT和M+R-植物根際中，有38.6%共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的邊與屬于根瘤菌目的細(xì)菌互作（圖3A）。這表明根瘤菌目細(xì)菌可能是形成AM共生的植物根際微生物網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中的根瘤菌樞紐為了進(jìn)一步測(cè)定AM共生對(duì)根瘤菌類群的潛在影響并克服16S rRNA分析中識(shí)別細(xì)菌物種的局限性（16S rRNA無(wú)法定種），對(duì)rpoB基因進(jìn)行測(cè)序特異性地定量了根瘤菌種群的絕對(duì)豐度。rpoB高通量測(cè)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(dǎo)地位，而S. medicae和R. anhuiense在根中占主導(dǎo)地位。為了測(cè)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(duì)三種玉米自交系的根際土壤中AM真菌VTs和根瘤菌的絕對(duì)豐度進(jìn)行定量，結(jié)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(jìn)了根瘤菌在根際的積累和根瘤菌在原生土壤中的有效結(jié)瘤6、AM促進(jìn)根際定殖的微生物群落可以促進(jìn)不同豆科植物的結(jié)瘤為了測(cè)定蒺藜苜蓿根際中AM共生促進(jìn)的根瘤菌積累是否影響自然土壤中的根結(jié)瘤，對(duì)野生型和突變植物的根瘤數(shù)進(jìn)行測(cè)定。與已發(fā)布的數(shù)據(jù)一致，lyk3，nfp，dmi2和dmi3突變體沒(méi)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(wú)菌蛭石中接種根瘤菌后出現(xiàn)有效瘤（圖4C和D）。對(duì)四種豆科植物的結(jié)瘤現(xiàn)象進(jìn)行分析以此來(lái)判斷AM共生促進(jìn)的蒺藜苜蓿根際微生物群落對(duì)于自然土壤中的豆科植物結(jié)瘤是否重要。對(duì)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(dǎo)致每株植物的有效瘤數(shù)顯著減少（圖4E）。總的來(lái)說(shuō)，在根瘤菌貧瘠的自然土壤中，AM共生植物促進(jìn)的根瘤菌在根際土中的積累可能會(huì)促進(jìn)后續(xù)豆科植物的結(jié)瘤固氮。綜上所述，該研究表明，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(yíng)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(guò)程中的協(xié)同進(jìn)化。 凌波微課有幸邀請(qǐng)到了中國(guó)科學(xué)院分子植物卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所王二濤研究員為大家?guī)?lái)《植物-根際微生物同盟的建立》的精彩講座。 王老師在講座中圍繞“為什么只有豆科植物才能共生固氮”，這一生物學(xué)研究的熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域的重要科學(xué)問(wèn)題，詳細(xì)介紹了課題組目前的研究進(jìn)展和取得的成果。 關(guān)注王二濤老師凌波微課-LorMe·云講堂第十七講《植物-根際微生物同盟的建立》的講座回放視頻，詳細(xì)了解王老師關(guān)于根瘤菌-豆科植物共生固氮的研究思路和研究進(jìn)展。 方法：“搜索騰訊課堂”凌波微課，即可免費(fèi)觀看第十七期凌波微課-LorMe·云講堂回放。
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