2021年，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队在《Molecular Plant》发表了“Mycorrhizal Symbiosis Modulates the Rhizosphere Microbiota to Promote Rhizobia Legume Symbiosis”研究论文，该研究通过定量微生物组、微生物共发生网络及微生物群回接实验等揭示了丛枝菌根共生与根瘤共生系统在植物根际层面的互作机制。

期刊：Molecular Plant              

影响因子：21.949            

发表时间：2021

样本类型：根、根际土

一、研究背景

植物与共生真菌（如丛枝菌根（AM）真菌和细菌、根瘤菌）建立共生关系，以交换关键的营养物质和茁壮成长。植物和共生体共同进化，代表着陆地生态系统的重要组成部分。植物利用祖先的AM信号通路在其根中建立细胞内共生，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间的关系尚不清楚。

二、实验设计

本研究在自然土壤条件下种植野生型蒺藜苜蓿以及AM共生和/或根瘤共生缺陷的突变体，通过16S rRNA基因高通量测序（341F-806R）和固氮根瘤菌群定量（rpoB1479F-rpoB1831R）等研究了根际和根样本中的细菌微生物含量。

三、实验结果

1、存在AM共生缺陷的突变体在原生土壤中表现出不同的表型和根系转录组

与WT相比，在M-植物的根部，AM真菌VT（virtual taxa）的微生物数量较低，尤其在的AM共生缺陷的突变体dmi3和pt4的根部未检测到VT（图1A）。进一步检查这些植物根中的总磷含量发现，M+R-植物根部的总磷最高，其次是野生型WT（图1B），与根部AM真菌VT的微生物数量一致。

转录组分析发现与M+植物根系相比，M-植物根系表现出独特的转录组（图1C）。菌根诱导的基因在M-植物中没有被诱导（图1C）。

图1 WT A17和原生土壤中根瘤菌和丛枝菌根共生缺陷突变体的微生物区系和转录组谱

2、共生关系影响根室中微生物群的频率和负荷

标准RMP显示，野生型和突变型植物的根际和根部细菌在门分类水平的分布频率显著不同（图1D）。AM共生功能缺陷影响Proteobacteria在根际发生定殖。此外，与WT相比，M-突变体根中Actinobacteria的相对丰度降低以及Alphaproteobacteria，Chloroflexi和Deltaproteobacteria的相对丰度增加；在M+R-突变体中，Bacteroidetes和Betaproteobacteria的相对丰度降低，说明AM共生和根瘤菌共生均会影响细菌不同亚群在根部定植。

QMP数据显示，野生型和共生突变体间根和根际土壤中的细菌载量也显著不同（图1E）。与WT相比，M+R-突变体在根际中显示出较高的细菌数量，但在根部中显示出较低的细菌数量。

3、AM共生的缺陷减少了根际根瘤菌分支的负荷

CAP与ANOSIM分析发现根际和根系所有M-突变体中的菌群均与能够形成AM共生（WT和M+R-突变体）的菌群沿第一个主坐标明显分开。相反，单独的根瘤菌共生缺陷突变体（M+R-）不会导致对根际和根的细菌群落产生一致的影响（图2A, B）。因此，AM共生是维持正常根内和根际微生物区系所必需的。

进一步在ASV水平分析了共生对根际菌群的影响。与野生型WT相比，WT与共生突变体的根际细菌群落中共有85个ASVs的绝对丰度发生了显著变化（图2C），而根细菌群落中有52个ASVs的绝对丰度发生了显著变化。综上所述，植物的AM共生功能缺陷对M. truncatula根-土壤界面中的细菌群落绝对丰度有显著影响，主要反映在根际根瘤菌目进化枝中细菌类群的数目下降。

图2 AM共生需要在原生土壤中组装一个正常的根系相关微生物区系

4、AM共生影响细菌共丰度网络中的根瘤菌枢纽

基于ASVs之间的显著相关性，分析了细菌共发生网络。结果表明，在WT和M+R-植物根际中，有38.6%共发生网络的边与属于根瘤菌目的细菌互作（图3A）。这表明根瘤菌目细菌可能是形成AM共生的植物根际微生物网络中的核心微生物类群。在不能形成AM共生的植物的根际微生物网络中，只有33.8％与ASVs相互作用的边缘属于根瘤菌目（图3B）。此外，根瘤菌目ASVs也被鉴定为M+植物根中微生物共发生网络中的主要类群，而Actinomycetales和Xanthomonadales ASVs则作为M-根中微生物共发生网络中的主要类群（图3D-F）。

 图3 AM共生影响数量微生物共丰度网络中的根瘤菌枢纽

5、AM共生促进了根瘤菌在根际的积累

为了进一步测定AM共生对根瘤菌类群的潜在影响并克服16S rRNA分析中识别细菌物种的局限性（16S rRNA无法定种），对rpoB基因进行测序特异性地定量了根瘤菌种群的绝对丰度。rpoB高通量测序总共鉴定出56种共生根瘤菌rpoB ASVs，属于16种已有记录的豆科植物的根瘤菌种，其中Rhizobium anhuiense和Pararhizobium giardinii在根际中占主导地位，而S. medicae和R. anhuiense在根中占主导地位。

为了测试非豆科植物中是否也发生了AM共生引起的根瘤菌积累，对三种玉米自交系的根际土壤中AM真菌VTs和根瘤菌的绝对丰度进行定量，结果表明在AM定殖率较高的玉米品系的根际土壤中，根瘤菌rpoB序列的总丰度和P. giardinii, S. adhaerens, S. meliloti的丰度明显更高。

图4 AM共生促进了根瘤菌在根际的积累和根瘤菌在原生土壤中的有效结瘤

6、AM促进根际定殖的微生物群落可以促进不同豆科植物的结瘤

为了测定蒺藜苜蓿根际中AM共生促进的根瘤菌积累是否影响自然土壤中的根结瘤，对野生型和突变植物的根瘤数进行测定。与已发布的数据一致，lyk3，nfp，dmi2和dmi3突变体没有形成根瘤，而ipd3在其根部形成了小的白色凸起。与野生型植物相比，只有25％的pt4突变体在自然土壤中形成有效瘤，但100％的pt4突变体可以在无菌蛭石中接种根瘤菌后出现有效瘤（图4C和D）。

对四种豆科植物的结瘤现象进行分析以此来判断AM共生促进的蒺藜苜蓿根际微生物群落对于自然土壤中的豆科植物结瘤是否重要。对于其他三类豆科植物，与WT植物相比，接种M-（pt4和dmi3）植物的稀释根际微生物群落导致每株植物的有效瘤数显著减少（图4E）。总的来说，在根瘤菌贫瘠的自然土壤中，AM共生植物促进的根瘤菌在根际土中的积累可能会促进后续豆科植物的结瘤固氮。

四、研究结论

综上所述，该研究表明，豆科植物与根瘤菌共生关系的建立是植物-根瘤菌-环境三者相互作用的结果，AM真菌庞大的菌丝网络在给植物提供营养的同时，也帮助植物根系富集根瘤菌，促进豆科植物与根瘤菌的共生。该研究从根际层面揭示了丛枝菌根共生与根瘤共生在植物适应陆地环境过程中的协同进化。

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