【阿儀網 實驗室動態】12月9日，Molecular Plant在線發表中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究組及合作團隊完成的研究論文Mycorrhizal Symbiosis Modulates the Rhizosphere Microbiota to Promote Rhizobia Legume Symbiosis，該研究通過定量微生物組、微生物共發生網絡及微生物群回接實驗等，揭示叢枝菌根共生與根瘤共生系統在植物根際層面的互作機制。

  陸生植物根系與微生物建立多種多樣的共生關系，例如，超過80%的陸生植物可以與叢枝菌根（arbuscular mycorrhizal, AM）真菌形成共生關系，其中豆科植物還可以與根瘤菌形成共生固氮關系。AM共生與根瘤共生可通過提高植物對磷和氮的獲取能力，從而協同促進植物生長。AM真菌作為陸地生態系統的重要組成部分，是生態系統碳循環的關鍵環節。此外，AM真菌通過菌絲網絡在地下連接植物，構成一個巨大網絡，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，其共生信號通路被豆科植物進一步利用，參與建立豆科植物與固氮根瘤菌的共生。然而，對AM真菌與根瘤菌在陸地生態系統中的相互作用和協同進化卻知之甚少。

  生物間的協同進化依賴于相互作用，特別是生物體之間的合作和競爭。根周圍的區域稱為根際，該微環境代表了植物-微生物和微生物-微生物相互作用的主要生態位。植物根際微生物組被譽為植物的第二基因組，其對于植物的生長發育和環境適應至關重要。傳統的根際微生物組研究主要通過細菌16S rRNA基因或真菌核糖體DNA內轉錄間隔區（internal transcribed spacers, ITS）序列的高通量測序來評估微生物種群的相對豐度，但該方法無法提供樣品中微生物的絕對豐度，阻礙了跨界微生物間（如AM真菌與根瘤菌）相互作用的研究。實驗室前期基于微生物群定量分析（quantitative microbiota profiling, QMP）發現，根際土中細菌的數目是根外土的近10倍，且主要菌門在根際土中的絕對豐度都被顯著擴增，基于此，研究提出“擴增-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基因高通量測序和微生物群定量等研究了根際和根樣本中的細菌微生物含量。研究發現，菌根共生缺陷顯著降低了細菌微生物群——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微生物組的種群結構。基于微生物共發生網絡分析發現根瘤菌目的細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絡的穩定性。研究進一步通過根瘤菌rpoB基因和AM真菌SSU rRNA基因的高通量測序和微生物群定量研究了根際微環境中AM共生與根瘤共生之間的相互作用，發現AM共生可以促進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自然土壤中不同豆科植物結瘤。研究發現，豆科植物與根瘤菌共生關系的建立是植物-根瘤菌-環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境過程中的協同進化。

  該研究工作由分子植物卓越創新中心王二濤研究組與深圳華大生命科學研究院高級工程師劉歡研究組、河南大學教授張學斌研究組合作完成。分子植物卓越中心博士王孝林為論文第一作者，王二濤、劉歡和張學斌為論文的共同通訊作者。研究工作得到中科院、國家自然基金委員會和國家基因庫的資助。