Phytopathol Res | 根瘤菌借助芸薹根肿菌侵染油菜并固氮

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

据统计，全世界每年用于农作物生产的氮肥超过1.1亿吨。自然界中，根瘤菌与豆科植物的共生固氮在农业生产中起到了重要作用。然而，根瘤菌只可以与豆科植物及少数榆科植物进行共生。如何使根瘤菌在非豆科植物中定殖共生，扩展其寄主范围，以减少肥料消耗、减轻环境压力等一直是研究者密切关注的问题。然而，尽管经过几十年的研究，根瘤菌在非寄主植物中的固氮作用尚未得到证实。

Phytopathology Research今日在线发表了华中农业大学姜道宏教授团队题为“Exploring a rhizobium to fix nitrogen in non-leguminous plants by using a tumour-formation root pathogen”的文章。该团队前期发现感染芸薹根肿菌（Plasmodiophora brassicae）的油菜根中存在大量的根瘤菌，本研究进一步报道了芸薹根肿菌感染油菜根部后，固氮根瘤菌侵入油菜根部皮层细胞并在其中生长和固氮，同时促使油菜根肿症状减轻，促进油菜生长。该发现为根瘤菌与非豆科植物共生固氮研究提供了新的思路，也为十字花科植物根肿病的生物防治提供了微生物资源。主要研究结果包括：1) 田间试验中通过PCR检测和原位杂交等发现根瘤菌可以在自然条件下侵入感染根肿病的油菜根系中；实验室条件下对根瘤菌和根肿菌共接种的油菜进行PCR检测、荧光原位杂交、荧光观察、扫描电镜观察和组织分离根瘤菌等，证实根瘤菌可以与根肿菌共同定殖于油菜皮层细胞中 (Fig. 1)。2) 根瘤菌与根肿菌共侵染油菜后可以促进油菜根的生长，明显减轻油菜根肿病的严重程度 (Fig. 2)；通过氮素和15N同位素稀释等测定方法检测到根瘤菌在共侵染的油菜中存在一定的固氮活性。3) 在根瘤菌和根肿菌共接种的抗根肿病油菜中，根瘤菌也存在固氮活性，并能够促进油菜植株的生长 (Fig. 3)。4) 接种根肿菌可诱导油菜根系分泌多种类黄酮物质，且根系分泌物可诱导根瘤菌结瘤相关Nod D基因的表达；此外，在拟南芥被根肿菌侵染的早期，与豆科植物中参与根瘤菌侵染及共生相关基因序列同源的基因的表达量也明显增强；这一系列反应为根瘤菌侵入油菜并固氮提供了条件，也初步揭示了根瘤菌和根肿菌在油菜中共定殖和固氮的机理。

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

华中农业大学姜道宏教授团队长期致力于真菌病毒、植物微生物组及植物病害生物防治研究。华中农业大学植物科学技术学院已毕业博士研究生赵莹（目前在河南农业大学植物保护学院担任副教授）为本文的第一作者，姜道宏教授为通讯作者。本研究得到了国家油菜产业技术体系建设专项 (CARS-12)、武汉市应用基础前沿项目 (2020020601012260) 和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 (2662022PY001) 的资助。华中农业大学农业微生物学国家重点实验室和湖北洪山实验室为文章的完成提供了技术支撑。

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