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戴傳超教授課題組在內生真菌促進花生結瘤固氮研究中取得重要進展

生物固氮被认为是生态系统中存储可利用氮源的一个重要过程,因此如何增加生物固氮效率一直以来都受到世界范围内诸多研究者们的广泛关注。豆科植物花生是世界上(栽培国家超过100个)重要的油料和经济作物,花生能与土壤中慢生根瘤菌相互作用形成一个新的根部器官——根瘤,固定大气中氮气进而为宿主植物提供额外的氮源。然而,长期的连作导致花生结瘤和固氮能力显著下降,进而影响了花生的高产稳产。本课题组前期从大戟科重阳木的茎内皮分离到一株内生真菌,命名为枫香拟茎点霉(Phomopsis liquidambaris)。盆栽实验发现接种P. liquidambaris能有效的增加花生结瘤和固氮,但其具体的作用机制仍不清楚。近期,以生命科学学院谢星光博士为第一作者,戴传超教授为联系作者发表了题为Endophytic Fungus Drives Nodulation and N2 Fixation Attributable to Speci?c Root Exudates (2019, Volume 10 Issue 4 e00728-19; 链接:https://doi.org/10.1128/mBio.00728-19) 的研究长文进一步阐述了内生真菌P. liquidambaris 促进作物结瘤固氮的部分生态学机理。该研究论文发表在国际著名微生物学期刊《mBio》上,杂志2019年影响因子6.8(5年影响因子7.2)。

连续2年的田间小区实验发现不管是否施加氮肥,内生真菌P. liquidambaris定殖均能有效的增加花生结瘤和固氮效率。进一步研究观察到内生真菌P. liquidambaris定殖后收集的花生根系分泌物在结瘤固氮中扮演着显著的正效应,表明内生真菌P. liquidambaris定殖可能影响了花生根系分泌物进而影响了花生结瘤固氮效率。通过植物根际模拟实验,作者发现内生真菌P. liquidambaris定殖后的根系分泌物显著减少了根际土壤硝酸盐的浓度,这可能与减少的根际氨氧化微生物群落多样性有着密切的关联。但是却显著增加了根际固氮菌群落的多样性,并且进一步的分析发现增加的固氮菌群落均属于能与花生建立共生结瘤相互作用的慢生根瘤菌种群。内生真菌P. liquidambaris定殖增加了花生根内酚类和黄酮类生物合成相关基因的表达,体外实验发现内生真菌P. liquidambaris定殖后根系分泌物中衍生的酚类和黄酮类化合物均能有效的增加慢生根瘤菌菌株的趋化性、生物膜形成和nodC基因表达(慢生根瘤菌结瘤相关的生物学活性)。与此同时,根际土壤代谢模式分析发现酚类和黄酮类化合物在内生真菌P. liquidambaris定殖的根际土壤中很容易积累到一定的浓度,其有利于促进花生-根瘤菌相互作用。最后,作者通过一个体外的整合根系分泌物实验进一步验证了上述提出的科学假说。

因此,本文提出了一个可能的作用模型用于阐述内生真菌P. liquidambaris定殖促进花生结瘤固氮的生态学作用机制(图1)。内生真菌P. liquidambaris定殖改善了花生根系分泌物,改善的根系分泌物造成根际土壤硝酸盐含量降低(其有利于刺激结瘤信号通路激活),增加了根际结瘤相关的慢生根瘤菌的数量和生物学活性,这将有助于增加花生-慢生根瘤菌相互作用,进而增加花生结瘤和固氮。

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