色综合老色鬼狼天天_版納植物園發(fā)現微生物介導的氣生根黏液的固氮和穩態(tài)維持機制----中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園

　　中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“版納植物園”）熱帶稻種保護與遺傳改良研究組致力于熱帶稻種適應于水、陸生環(huán)境的遺傳基礎及生物學(xué)機制解析，挖掘稻種資源適應極端環(huán)境的特異性狀與其育種利用價(jià)值，開(kāi)展旱直播陸稻育種研究。鑒于育種學(xué)的學(xué)術(shù)背景與植物性狀生物學(xué)功能的獨特視角，徐鵬研究員2018年在版納植物園園區內發(fā)現藤蔓植物蔓性野牡丹（Heterotis rotundifolia）氣生根大量分泌黏液的生物學(xué)現象（圖1），指導博士研究生龐志強、碩士生毛新雨聯(lián)合浙江大學(xué)胡凌飛研究員和中國農科院基因組所周紹群研究員實(shí)驗室研究解析該氣生根-黏液特異性狀的生物學(xué)功能。

　　首先，基于該黏液的特殊生態(tài)位屬性提出了以下科學(xué)問(wèn)題：（1）黏液的化學(xué)組分與物質(zhì)組成是什么?（2）氣生根黏液的分泌有什么潛在的生物學(xué)功能？（3）黏液如何從植物中分泌及如何行使生物學(xué)功能?（4）該體系對于植物生長(cháng)與農作物生產(chǎn)有何啟發(fā)？

　　通過(guò)廣泛靶向和靶向代謝組技術(shù)檢測了氣生根黏液和地下根系分泌物的化學(xué)組成，發(fā)現地下根系分泌物中脂類(lèi)和生物堿等次生代謝產(chǎn)物的相對含量較高，而氣生根黏液中氨基酸（及衍生物）類(lèi)、核苷酸（及衍生物）類(lèi)、類(lèi)黃酮和糖類(lèi)等碳水化合物等相對含量較高，這與氣生根黏液具有類(lèi)似的“黏性”特征是一致的。氣生根黏液和地下根系分泌物具有不同的生物化學(xué)組成，并且氣生根黏液含有大量多糖類(lèi)等碳水化合物，這暗示不同的生態(tài)位可能提供了不同的營(yíng)養物與“信號源”，可能進(jìn)而形成了不同的生態(tài)位，喂養“居住”的不同微生物群落（圖2）。

　　進(jìn)而通過(guò)微生物組測序及同位素氮標記的培養體系發(fā)現黏液微生境中富含大量的固氮細菌類(lèi)群，通過(guò)氮標記實(shí)驗、氮同位素自然豐度、氣生根黏液去除控制實(shí)驗明確了氣生根黏液貢獻了植物生物固氮量的37-54%（圖3），結合植物基因組、轉錄組等分子生物學(xué)證據首次發(fā)現了雙子葉植物的氣生根能夠通過(guò)黏液中的功能微生物行使固氮的生物學(xué)功能、實(shí)現與宿主植物的雙向碳氮交換過(guò)程，該研究結果擴展了傳統植物生態(tài)學(xué)研究中定義的“根際”范疇。

　　但黏液作為富含糖分等碳水化合物的“天然培養基”，為什么其中只是較為特殊的固氮細菌類(lèi)群而非環(huán)境各類(lèi)微生物的“大爆發(fā)”?研究人員推測黏液中可能存在特定的抗生素類(lèi)化合物或關(guān)鍵的微生物類(lèi)群能夠抵御環(huán)境中大量的“雜菌”或病原微生物，但對固氮功能微生物類(lèi)群是“友好”的，從而實(shí)現微生境中微生物的功能穩態(tài)。因此，研究人員進(jìn)一步實(shí)驗發(fā)現黏液中存在一種被宿主“招募”和伴生的“保衛”真菌F-XTBG8（刺孢殼屬真菌Chaetomella raphigera），該菌具有廣譜的抗菌活性，能夠抑制超過(guò)100種環(huán)境和植物病原性微生物類(lèi)群，卻選擇性地允許黏液中的固氮微生物類(lèi)群生長(cháng)（圖4）。通過(guò)解析F-XTBG8真菌的基因組、轉錄組與代謝組發(fā)現該菌廣泛存在于植物的各個(gè)器官部位，且該菌可能是通過(guò)產(chǎn)生廣譜性的抗生素抵御環(huán)境中的其他微生物，以維持黏液中微生物的穩態(tài)和微生境的平衡。

　　該研究發(fā)現了氣生根-黏液的固氮功能和存在于其中的關(guān)鍵“保衛”真菌，為氣生根-黏液特異生物學(xué)現象的生物學(xué)功能和微生境穩態(tài)維持機制提供了新的見(jiàn)解，對于創(chuàng )制植物功能性微生物及廣譜抗性生物制劑具有重要的理論指導意義。另外，實(shí)驗人員也發(fā)現固氮和廣譜抗性的功能菌株對農作物水稻、陸稻、玉米、小麥及番茄等多宿主具有促生、抗病的生物學(xué)效應，將進(jìn)一步評估用于農作物生產(chǎn)中生物制劑使用。

　　相關(guān)研究成果近日以Microbiota-mediated nitrogen fixation and microhabitat homeostasis in aerial root-mucilage為題在線(xiàn)發(fā)表于微生物學(xué)著(zhù)名期刊Microbiome，具有廣譜抗性的菌株F-XTBG8已申請生防菌株專(zhuān)利（一種具有廣譜抗菌活性的刺孢殼屬真菌F-XTBG8在制備抗真菌活性物質(zhì)中的應用，受理號202310350215.5）。

　　該研究得到版納植物園公共技術(shù)中心同位素研究平臺與郭娟工程師大力支持，周文君副研究員、王剛研究員、楊志靈研究員、邵士成副研究員在實(shí)驗開(kāi)展與論文撰寫(xiě)過(guò)程中提供了相關(guān)建議與幫助，在此一并感謝。