ISME | 解读大豆根际微生物群落变化与根瘤菌共生效率的关系！
根瘤菌-豆科植物共生是植物-微生物共生的重要类型，然而这种联系的建立是复杂的，并且受多种因素的影响（PNAS | 英国牛津大学最新研究揭示根瘤菌从根际到共生的生活方式适应机制！）。大豆根际具有特定的微生物群落，但这些微生物是否影响根瘤菌的结瘤还没有很好的研究（Science | 重磅研究揭示植物如何区分有益和有害微生物！；Science | 专家点评：豆科植物结瘤共生的特异性）。本文分析了三种土壤中大豆根际微生物的组成及其相互关系。首先，结果发现大豆根际群落组成在不同土壤中差异显著，并对根瘤菌与其他根际细菌的关联网络进行了研究。其次，结果发现一些根际微生物与根瘤中的Bradyrhizobia和Sinorhizobia（慢生根瘤菌和中华根瘤菌）的组成有关。本文从碱性土壤中培养了278株候选芽孢杆菌。最后，相互作用和结瘤实验表明，Bacillus cereus（蜡状芽孢杆菌）分别特异性地促进和抑制了中华根瘤菌和慢生根瘤菌的生长，并缓解了盐碱条件对中华根瘤菌结瘤以及在植物中定殖的影响。本文的发现证明了细菌微生物群落在大豆根瘤菌-宿主相互作用形成中的关键作用，并通过使用合成细菌群落为提高这种共生系统的共生效率提供了框架。
氮是所有生物体的重要元素；它是由含氮量高达78%的地球大气中的氮气经固氮作用而产生的。固氮作用将氮转化为氨，氨是可以被大多数生物体代谢的。因此，固氮是生命所必需的（微生物和氮循环）。固氮主要是由固氮细菌和古细菌在土壤中进行的。在固氮菌中，根瘤菌可以作为腐生菌生活在土壤中，也可以作为共生菌生活在苏主豆科植物的根瘤中。在这些根瘤中，根瘤菌固定大气中的氮供宿主使用，而宿主则通过光合作用向根瘤菌提供碳。根瘤菌和豆科植物之间的共生关系是植物-微生物共生的例子，它不仅有益于豆科植物，而且有益于全球氮循环（“少肥多产”不是梦；PNAS | 共生固氮新型调节机制）。
根瘤菌与豆科植物共生是一个复杂的过程，包括根瘤菌侵染、根瘤发育、根瘤功能化和根瘤衰老。尽管根瘤菌与豆科植物之间的相互作用已被广泛认识，但这种互惠共生关系具有高度的特异性和广泛的多样性（Plant Cell | 豆科根瘤与非豆科植物放线菌根瘤有何不同？）。根瘤菌对豆科寄主根细胞的选择性识别和侵染是成功建立共生关系的前提。对于一个特定的宿主，根瘤菌的成功侵染不仅取决于不同根瘤菌物种的竞争能力，而且还取决于根瘤菌应对各种不稳定环境因素的能力，包括土壤性质和土壤pH水平。
在大豆中，中华根瘤菌和慢生根瘤菌是两种主要的微生物类群，它们的结瘤能力存在差异。值得注意的是，这些根瘤菌在不同pH值的土壤中相互竞争。有人认为，这些根瘤菌对不同pH值土壤的适应性是由慢生根瘤菌和中华根瘤菌介导的大豆根瘤生物地理学模式的基础。事实上，中华根瘤菌在盐碱土中占优势，而在中性到酸性土壤中慢生根瘤菌则占优势。
土壤中还含有数十亿的微生物，包括细菌和真菌。根瘤菌可能在其潜在宿主豆科植物的土壤或根际与这些微生物竞争，以建立共生关系。据报道，豆科植物在根或根际细菌群落的建立中起着至关重要的作用，根瘤菌和豆科植物之间的共生关系直接影响着这两个分区的微生物群落结构。组成共同结瘤信号通路或介导类黄酮和硝酸盐变化（影响豆科植物根瘤菌感染）的基因（如Nod因子受体5、结瘤初期和莲藕组氨酸激酶1）功能丧失可重塑根际微生物群落。
植物与多种微生物建立密切关系，形成复杂的群落，这些群落在宿主植物和环境中各不相同，这种平衡的改变可能影响宿主的生长或引起疾病。大量证据表明，根相关微生物群可以影响植物-病原相互作用的结果。因此，本文推测根瘤菌与豆科植物的共生也可能受到生活在土壤或植物生态位中的共生微生物的影响。此外，在大豆中，某些特定功能群在根际比在非根际土壤中更具代表性，涉及氮、铁、磷和钾的代谢等功能，但它们是否影响宿主-根瘤菌的相互作用尚未确定。
为了了解大豆植株、根瘤菌和土壤微生物之间的相互作用，本文研究了三种土壤中根瘤微生物的组成和网络关系。此外，本文还对与根瘤菌结瘤相关的微生物进行了鉴定，分离出了候选菌株，并探讨了它们在根瘤菌结瘤中的作用。本文的发现提供了第一个证明微生物群落在根瘤菌对环境的适应和根瘤菌共生效率的调节中的证据。
图1 三种土壤中大豆根际微生物群落α和β多样性
讨论
根瘤菌和豆科植物宿主共同调控着这个的共生关系；此外，根瘤菌在宿主体内的结瘤率是可变的，受环境因素和共生根瘤菌的影响。一个众所周知的例子是，在不同pH值的土壤中，大豆中华根瘤菌和慢生根瘤菌的结瘤率存在显著差异；中华根瘤菌和慢生根瘤菌对pH值的耐受性差异可能解释了这些根瘤菌的地理分布格局。在这里，本文发现大豆根际微生物群，特别是蜡状芽孢杆菌群，影响了中华根瘤菌和慢生根瘤菌的生长和结瘤，也可能影响这两种根瘤菌的结瘤。
根瘤是根瘤菌的宿主器官，是共生固氮的场所。先前的研究表明中华根瘤菌和慢生根瘤菌是大豆根瘤中最丰富的属。本文发现中华根瘤菌是碱性土壤中的根瘤中的主要物种，而在中性和酸性土壤中，慢生根瘤菌占优势。这也表明了大豆根瘤菌群落表现出强烈的生物地理格局，这是由当地的气候和土壤因素（有效铁和土壤pH值）形成的。此外本文发现根瘤菌的组成也可能受到其他根际微生物群的影响，如芽孢杆菌科，它们可能参与了中华根瘤菌和慢生根瘤菌的定殖。
芽孢杆菌科是众所周知的有益根际和内生细菌，在大豆微生物群的非根际亚群中占主导地位。据报道，一些芽孢杆菌菌株影响大豆结瘤，然而芽孢杆菌在大豆结瘤中的作用尚不清楚。有趣的是，本文的数据显示盐碱地蜡状芽孢杆菌的分离特别促进了CCBAU45436的增长，但是抑制了USDA110的生长，本文推测芽孢杆菌也可能影响根瘤菌在土壤中的分布。通过碳酸氢钠和氯化钠对盐碱条件的模拟，本文发现随着pH值的增加，接种CCBAU45436的植物结瘤数量也增加，即使结瘤很小，这也可以部分解释为什么在碱性土壤条件下中华根瘤菌占优势。在正常条件下，芽孢杆菌对接种CCBAU45436-或USDA110的植株的结瘤数没有影响。然而在盐碱条件下芽孢杆菌处理恢复了接种CCBAU45436的大豆植株的结瘤缺陷（主要是结瘤数），并影响了根瘤菌在结瘤中的定殖。根相关细菌可以减轻盐碱胁迫对植物的不利影响，因此这些根相关细菌可能有利于豆科植物中那些对胁迫敏感的根瘤菌的结瘤
微生物的合作和竞争相互作用是驱动植物适应不同区域复杂微生物组合的重要选择力。据本文所知，本研究首次报道了芽孢杆菌与根瘤菌的相互作用关系以及芽孢杆菌对胁迫下根瘤菌-豆科植物共生结瘤的影响。这些相互作用是否会发生在根际，以及在盐碱条件下，芽孢杆菌如何影响结瘤表型和根瘤菌定殖尚不清楚。在盐碱条件下，这些相互作用是否能在根际发生，以及芽孢杆菌如何影响根瘤菌的结瘤表型和根瘤菌定殖，目前尚不清楚。进一步研究芽孢杆菌与根瘤菌之间的这种特异性相互作用，将有助于本文理解芽孢杆菌在不同土壤条件下调节根瘤菌结瘤和定殖的分子机制。
总之，本文的研究结果表明，根际微生物群在根瘤菌-大豆共生体和植物适应逆境环境中具有重要的调节作用。这些发现为大豆根瘤菌在田间的分布提供了新的认识，并为在胁迫条件下促进大豆或其他豆科植物根瘤菌的结瘤提供了新的途径。为了提高共生固氮效率，豆科植物及其微生物的全基因组应作为根瘤菌-豆科共生体遗传基础和基因工程的重要组成部分。