Phytopathol Res | 根瘤菌借助蕓薹根腫菌侵染油菜并固氮

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https://doi.org/10.1186/s42483-022-00154-w

據(jù)統(tǒng)計，全世界每年用于農(nóng)作物生產(chǎn)的氮肥超過1.1億噸。自然界中，根瘤菌與豆科植物的共生固氮在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起到了重要作用。然而，根瘤菌只可以與豆科植物及少數(shù)榆科植物進(jìn)行共生。如何使根瘤菌在非豆科植物中定殖共生，擴(kuò)展其寄主范圍，以減少肥料消耗、減輕環(huán)境壓力等一直是研究者密切關(guān)注的問題。然而，盡管經(jīng)過幾十年的研究，根瘤菌在非寄主植物中的固氮作用尚未得到證實。

Phytopathology Research今日在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)姜道宏教授團(tuán)隊題為“Exploring a rhizobium to fix nitrogen in non-leguminous plants by using a tumour-formation root pathogen”的文章。該團(tuán)隊前期發(fā)現(xiàn)感染蕓薹根腫菌（Plasmodiophora brassicae）的油菜根中存在大量的根瘤菌，本研究進(jìn)一步報道了蕓薹根腫菌感染油菜根部后，固氮根瘤菌侵入油菜根部皮層細(xì)胞并在其中生長和固氮，同時促使油菜根腫癥狀減輕，促進(jìn)油菜生長。該發(fā)現(xiàn)為根瘤菌與非豆科植物共生固氮研究提供了新的思路，也為十字花科植物根腫病的生物防治提供了微生物資源。主要研究結(jié)果包括：1) 田間試驗中通過PCR檢測和原位雜交等發(fā)現(xiàn)根瘤菌可以在自然條件下侵入感染根腫病的油菜根系中；實驗室條件下對根瘤菌和根腫菌共接種的油菜進(jìn)行PCR檢測、熒光原位雜交、熒光觀察、掃描電鏡觀察和組織分離根瘤菌等，證實根瘤菌可以與根腫菌共同定殖于油菜皮層細(xì)胞中 (Fig. 1)。2) 根瘤菌與根腫菌共侵染油菜后可以促進(jìn)油菜根的生長，明顯減輕油菜根腫病的嚴(yán)重程度 (Fig. 2)；通過氮素和15N同位素稀釋等測定方法檢測到根瘤菌在共侵染的油菜中存在一定的固氮活性。3) 在根瘤菌和根腫菌共接種的抗根腫病油菜中，根瘤菌也存在固氮活性，并能夠促進(jìn)油菜植株的生長 (Fig. 3)。4) 接種根腫菌可誘導(dǎo)油菜根系分泌多種類黃酮物質(zhì)，且根系分泌物可誘導(dǎo)根瘤菌結(jié)瘤相關(guān)Nod D基因的表達(dá)；此外，在擬南芥被根腫菌侵染的早期，與豆科植物中參與根瘤菌侵染及共生相關(guān)基因序列同源的基因的表達(dá)量也明顯增強(qiáng)；這一系列反應(yīng)為根瘤菌侵入油菜并固氮提供了條件，也初步揭示了根瘤菌和根腫菌在油菜中共定殖和固氮的機(jī)理。

Fig. 1 Mesorhizobium huakuii was attracted by Plasmodiophora brassicae-inoculated rapeseed root and lived in root cortex

Fig. 2 Mesorhizobium huakuii alleviates clubroot symptoms of rapeseed

Fig. 3 Mesorhizobium huakuii promotes the growth of resistant cultivar Huashuang 5R of rapeseed under Plasmodiophora brassicae infection and lives in roots

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)姜道宏教授團(tuán)隊長期致力于真菌病毒、植物微生物組及植物病害生物防治研究。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院已畢業(yè)博士研究生趙瑩（目前在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院擔(dān)任副教授）為本文的第一作者，姜道宏教授為通訊作者。本研究得到了國家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項 (CARS-12)、武漢市應(yīng)用基礎(chǔ)前沿項目 (2020020601012260) 和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目 (2662022PY001) 的資助。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國家重點實驗室和湖北洪山實驗室為文章的完成提供了技術(shù)支撐。

Cite this article:

Zhao, Y., Gao, L., Gao, Z. et al. Exploring a rhizobium to fix nitrogen in non-leguminous plants by using a tumor-formation root pathogen. Phytopathol Res. 2022; 4: 48. https://doi.org/10.1186/s42483-022-00154-w

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