PNAS | 英国牛津大学Philip Poole团队揭示豆科植物-根瘤菌互惠共生中的条件性制裁效应！

豆科植物可以通过与固氮根瘤菌建立亲密关系获取大气中的氮（Science | 重磅！剑桥大学Giles Oldroyd课题组阐述植物通过共生微生物促进养分吸收！Nature | 突破！中科院植生所王二涛团队揭示豆科植物与根瘤菌共生固氮的关键模块！）。植物提供碳化合物以换取可用的氮，但面临投资难题：在田间条件下，植物倾向于寄养多种菌株，它们提供的氮量有所不同。在实验环境中，含有很少或没有固氮菌的根瘤显示发育受限，这降低了根瘤菌的适应性，通常称为制裁效应。推测这种效应是一种适应性反应，可能是为了防止植物在氮含量低的菌株上浪费资源而进行的选择。通过减少根瘤菌的适应性，制裁效应可以防止无效菌株在群体中的传播，否则可能会被“骗子”菌株入侵。

制裁效应的证据主要来自被迫成为非固氮菌的菌株，通过剥夺它们大气中的氮源或者敲除其他同源菌株中的关键固氮基因。然而，这些实验并没有揭示植物应该如何在多个天然根瘤菌株之间最好地分配资源，这些天然根瘤菌株在有效性方面表现出更微妙的变化。投资选择很重要，因为在该领域非固定菌株可能很少见，而固氮能力较差固氮菌很普遍。如果固氮菌可以整合来自多个根瘤的信息并做出有条件的决策，那么针对特定菌株的资源分配将取决于存在的其他菌株的性质，那么复杂的分配策略将是可能的。但是，迄今为止获得的经验结果无法将这种可能性与模型简单地区分开来，在该模型中，植物仅根据其提供的氮量向每个根瘤分配资源。

近日，国际顶级学术期刊PNAS发表了英国牛津大学Philip S. Poole（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！ISME | 英国牛津大学Philip S. Poole团队揭示根瘤菌工程化促进可持续农业发展）和Lindsay A. Turnbull团队的最新相关研究成果，题为Conditional sanctioning in a legume–Rhizobium mutualism的研究论文。

豆类因其与称为根瘤菌的共生固氮细菌的相互作用而富含蛋白质，并成为人类饮食中的重要组成部分。植物将根瘤菌安置在专门的根瘤中，并为根瘤菌提供碳，以换取氮。但是，植物通常会容纳多种根瘤菌菌株，它们的固氮能力各不相同，因此植物面临投资难题。众所周知，植物会制裁不能固氮的菌株，但非固氮菌在田间环境中很少见，而固氮能力较差的固氮菌则很常见。本研究模拟了植物如何应对同源的固氮能力较差的固氮菌，并使用豌豆植物测试了模型预测。只有在没有更好的菌株时，才会容忍这类固氮菌。与模型预测一致，当唯一的选择是非固氮菌时，含有固氮能力较差的固氮菌的根瘤既大又健康，而当植物与更有效的菌株共接种时，这类固氮菌的根瘤又小又白。在根瘤大小的差异可以观察到之前，根瘤的碳供应就减少了。被制裁的根瘤菌降低了固氮率，在发育的后期，被制裁的根瘤含有更少的活细菌。这表明豆科植物可以做出条件性决定，最有可能的方法是将局部根瘤相关的氮素输出与总体输出相比较，从而使它们对共生伙伴有明显的控制。

图1. 一种（A）和两种（B）菌株的数学模型的示意图

图2. 一个固氮能力较差的固氮菌的根瘤大小取决于该植物上是否存在其他菌株

图3. 一个固氮能力较差的固氮菌株的蔗糖供应量、乙炔还原率和根瘤菌活力取决于该植物上是否存在其他菌株

欢迎加入生物固氮、植物免疫、植物微生物组、病原微生物、共生微生物学术交流群！更有效的获取相关文献和科研信息，进行同行学术交流

更多精彩内容，点击下方“往期回顾”

喜欢就转发、收藏，点“在看”