豆科植物可以在贫瘠的氮土壤中生长，因为它们有能力与固氮细菌共生。人们对利用这种共生关系的知识来转移到其他非共生植物上而非常感兴趣，一个国际研究小组在了解这一复杂的生物过程方面又迈进了一步。无论是有益的还是有害的，微生物在包括植物在内的所有生物中都扮演着重要角色。因此监测周围微生物的能力对植物的生存至关重要。例如土壤植物的根系周围有丰富的微生物环境，因此形成了复杂的监测机制。与大多数其他植物不同，豆科植物，如豆类、豌豆或扁豆，在微生物的帮助下能够在贫瘠的土壤中生长。在一个被称为根瘤共生的过程中，豆科植物形成了一个叫做根瘤的新器官，在这个器官中，一种叫做根瘤菌的特定土壤细菌被寄主。在根瘤菌内部，根瘤菌将大气中的氮转化为铵，从而增加植株的生长。豆科植物为细菌提供碳资源，使它们能够进行能量要求很高的固氮过程。
在原生土壤根瘤菌的存在下，野生型植株(WT)较大，有较多的枝(箭头)，有较多的花，形成荚果(箭头)，而nfre突变植株较短，刚开始开花，适应度较低。图片：Simona Radutoiu
博科园-科学科普：豆科植物与根瘤菌的相互作用具有很强的选择性。先前的研究表明，植物能够识别由共生根瘤菌产生的特定信号分子。特别是一种被称为Nod因子信号的识别系统，对于建立豆科植物与根瘤菌的宿主-非宿主关系至关重要。为了开始共生，豆科植物使用特定的受体蛋白，可以识别细菌产生的Nod因子分子。两个Nod因子受体，NFR1和NFR5是众所周知的。它们属于一大类所谓的LysM受体激酶蛋白，这表明其他类似的受体可能也参与了点头因子信号传递。来自丹麦、意大利、法国和日本的一个国际研究小组通过研究一种名为莲花属的豆科植物，发现了另一种名为NRFe的LysM受体激酶的作用。结果表明，NFRe和NFR1具有相似的生物化学和分子性质。NRFe主要表达于根表面特定区域的细胞中。与NFR1相比，NFRe具有局限于根外细胞层的有限信号能力。当NRFe发生突变时，根内激活的Nod因子信号减少，形成的结节减少。
在豆科植物以外的植物中也发现了nfr1型受体，它们与根际细菌没有共生关系。识别重要的节点因子信号受体可为非共生作物的新生物技术目标提供基础，以改善它们在营养不良条件下的生长。当植物周围有合适的微生物时，美好的事情就会发生。对豆科植物Acmispon strigosus的研究表明，与高效固氮细菌慢根瘤菌合作的植物的生长速度增加了13倍。植物利用有益微生物来促进生长的能力在农学家中并没有消失。一些育种家认为，了解使作物能够吸收表现最好的微生物特性是可持续农业未来的关键。利用微生物有益工作的一个障碍是控制微生物在植物生长中的作用复杂遗传和环境因素。没有人照料，植物并不总是会吸收有益的微生物，而是在自己周围混合着有益的和无效的细菌。通过在土壤中接种有益的菌株来管理植物在土壤中遇到的微生物种群的尝试基本上失败了。
UCR的研究人员已经证明，豌豆属植物Acmispon strigosus的一些通用变种在吸收促进生长的微生物进入根瘤方面优于其他变种。图片：UC Riverside
加州大学河滨分校(University of California，Riverside)进化生态学教授乔尔·萨克斯(Joel Sachs)表示：在野外条件下，很难预测哪种微生物组合会成功，因为实验室中有益于植物的微生物并不总是能成功地与实地存在的微生物竞争。萨克斯是加州大学河滨分校(University of California，Riverside)进化生态学教授，也是该大学综合基因组生物学研究所(Institute for Integrative Genome生物)的成员，另一种有希望的选择是培育更善于管理自己的微生物伙伴植物，这一进步将传给后代。发表在《新植物学家》(New Phytologist)上的一项研究中，萨克斯的团队增进了我们对植物遗传学和环境因素如何影响该领域微生物土壤种群的理解。研究人员调查了豌豆植物Acmispon strigosus是否会在环境变化时改变其与不同固氮细菌的联系方式。令人惊讶的是，发现通过给土壤施肥来改变植物的环境并没有改变植物与微生物的关系。相反研究人员发现，在解释植物是否与最有益的微生物之间的关系时，豌豆植株之间的遗传变异是最重要的。
研究人员对产自美国西南部的豌豆科植物Acmispon strigosus进行了研究。图片：UC Riverside
换句话说，在发展这些有益的伙伴关系方面，这个的一些变种比其他变种更好。最擅长“投资”有益微生物豌豆植株的变种也有非常高的生长效益，与其他的豌豆植株的变种相比，它们没有投入那么多，获得的生长效益更低。决定这些伙伴关系的性状在同种植物之间存在差异，并且是可遗传的，这表明它们可以被育种者选择。研究人员最终希望农学家能够利用这项研究开发出能够充分利用土壤微生物的植物品种。这可以减少对化肥的依赖，因为化肥对种植者来说很昂贵，而且会污染环境。在实验室的未来工作将集中于豌豆植株在与更复杂的微生物群落相互作用时是否仍表现出遗传差异，这与它们在田间土壤中遇到的情况类似。该实验室还在扩大研究范围，向豇豆植株提出类似的问题，豇豆是撒哈拉以南非洲的一种重要豆类作物。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《eLife》,《New Phytologist》｜研究/来自：奥胡斯大学，加州大学河滨分校，DOI: 10.7554/eLife.33506，DOI: 10.1111/nph.15378
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