菌根网络如何引导根瘤菌“精准导航”至宿主植物？

摘要：研究团队：由比利时鲁汶天主教大学（UCLouvain）的Stéphane Declerck教授和Jiadong He博士领衔，联合根特大学（Ghent University）和VIB植物系统生物学中心的科学家共同完成。

研究团队：
由比利时鲁汶天主教大学（UCLouvain）的Stéphane Declerck教授和Jiadong He博士领衔，联合根特大学（Ghent University）和VIB植物系统生物学中心的科学家共同完成。

研究亮点

这项研究首次揭示了土壤中隐藏的“生物导航系统”——丛枝菌根真菌（AMF）通过共同菌根网络（CMN），不仅为根瘤菌提供迁移的“高速公路”，还能传递宿主特异性化学信号，引导根瘤菌精准定位到目标豆科植物。这一发现为农业减氮增产和土壤生态修复提供了全新思路。

菌根网络如何引导根瘤菌“精准导航”至宿主植物

豆科植物（如大豆、苜蓿）与根瘤菌的共生关系是自然界中重要的氮循环机制。根瘤菌能将空气中的氮气转化为植物可利用的氮肥，减少农业对化学氮肥的依赖。然而，这种合作有一个关键限制：根瘤菌通常只能感知宿主植物根系释放的化学信号（如类黄酮），而这些信号的有效距离仅有几毫米。在复杂土壤环境中，根瘤菌的自主移动能力有限，导致远距离宿主难以被“发现”。

近年研究发现，丛枝菌根真菌（AMF）形成的共同菌根网络（CMN）可能突破这一限制。AMF能与大多数植物共生，其菌丝在土壤中广泛延伸，形成连接不同植物的“地下高速公路”。此前研究证实，AMF菌丝能帮助根瘤菌迁移，但具体机制（如信号传递的宿主特异性）尚不明确。

共同菌根网络（CMN）能否传递宿主特异性的化学信号，引导根瘤菌“精准导航”至对应的豆科植物，从而提高结瘤效率？

研究者以两种豆科植物（截形苜蓿和大豆）及其专性根瘤菌（Sinorhizobium meliloti 和 Bradyrhizobium diazoefficiens）为对象，通过以下实验揭示CMN的作用：

宿主特异性验证：在无菌培养皿中分别接种根瘤菌，确认每种菌仅能与对应宿主形成根瘤。代谢组学分析：利用双隔室培养系统，分析AMF菌丝连接的植物释放的类黄酮种类。迁移实验：体外实验：在四隔室培养皿中，通过CMN连接两种植物，观察荧光标记的根瘤菌迁移方向。温室实验：构建三室盆栽系统，模拟自然土壤环境，验证CMN对根瘤菌分布和结瘤的影响。体外培养系统：使用隔板分隔的琼脂培养皿，AMF菌丝穿透隔板形成网络。在中央区域接种混合根瘤菌，通过菌落计数（CFU）和荧光显微镜追踪迁移路径。温室微宇宙：设计带管道连接的盆栽系统，管道内设置不同孔径滤膜（允许或阻断菌丝通过）。定期采集土壤样本，分析根瘤菌浓度及结瘤数量。代谢组学：收集AMF菌丝分泌物，通过超高效液相色谱-质谱（UPLC-HRMS）鉴定类黄酮种类。结合分子对接模拟，验证类黄酮与根瘤菌受体蛋白（NodD1）的结合能力。

大豆结瘤情况

CMN是根瘤菌的“高速公路”：AMF菌丝显著提升根瘤菌迁移效率，在体外实验中，根瘤菌通过菌丝网络移动距离超过15厘米。宿主特异性信号引导：截形苜蓿连接的菌丝释放DL-甘草素、柚皮素等类黄酮，吸引S. meliloti。大豆连接的菌丝释放大豆苷、丙二酰大豆苷等异黄酮，吸引B. diazoefficiens。分子对接显示，这些类黄酮与对应根瘤菌的受体蛋白具有高亲和力。定向迁移增强结瘤：在CMN连接的植物中，宿主对应的根瘤菌浓度提高10倍以上，结瘤数量显著增加（如截形苜蓿结瘤数达155个，而对照组无结瘤）。