微生物植物关联促进植物的氮获得

Microbial associations enabling nitrogen acquisition in plants

Current Opinion in Microbiology [6.916]

2019-11-14，Review

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mib.2019.10.005

第一作者：Ke Tao

通讯作者：Simona Radutoiu radutoiu@mbg.au.dk

合作作者：SimonKelly

主要单位：

1.丹麦奥尔胡斯大学大学，分子生物学和遗传系 Department of Molecular Biology and Genetics, Aarhus University, Denmark

划重点

标题：微生物关联促进植物的氮获得

关键字：植物微生物组、固氮、根瘤菌

• 丛枝菌根真菌吸收了土壤中的氨，并利用根外菌丝体中的谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶将无机氮转化为氨基酸
• 植物的氮高效利用基因可能会帮助植物招募固氮细菌，例如NRT1.1B。
• 在氮贫乏的环境中，内生固氮细菌对增加具有代谢活性的氮输入起着至关重要的作用。
• 为了最大程度地减少不利菌株的有害影响，豆类植物能够在根瘤水平和细胞水平对未提供足够固定氮源的根瘤进行制裁。

点评：传统上，微生物与植物关联帮助宿主植物固氮的研究主要集中在根瘤菌的生物固氮，但是近几年随着植物微生物组学的发展，科学家发现植物不仅可以通过菌根获得氮，其他根系微生物群落也有助于氮获得。与根相关的共生内生固氮菌生物固氮会帮助植物从氮贫乏的环境中吸收氮。作者从以上方面综述了植物相关的微生物帮助植物固氮的机理，分析了宿主和微生物在生物固氮过程中发挥的作用以及存在的限制，并对相关的研究体系和研究方法做出了评价，为植物微生物固氮研究指明了方向。

摘要

大气、陆地和水生生态系统之间大量的氮流动促进了地球的全球循环。保持氮循环的平衡可确保各个层级的生物种群都能蓬勃发展和多样化。但是，在过去的50年中，人类对氮循环产生了巨大的负面影响，导致氮循环超出了全球水平的安全限度。农业系统需要其他有益作物健康的策略来实现可持续发展而又不损害作物单产。在生物固氮领域对共生根瘤菌数十年的研究为旨在以可持续发展方式满足氮需求的伟大生物工程项目铺平了道路。对与自然界中健康植物相关联的其他微生物的平行研究揭示了大量的、尚未开发的生物资源。这些植物与微生物的许多相互作用仍值得详细研究，使人们能够在分子和生态水平上进行理解这种互作，并易于转移到农业环境中。

前言

Introduction

地球上的生命需要大量具有生物活性的氮。氮的含量很高，但是这种资源的大部分以化合物的形式存在（双氮dinitrogen，N₂），这使得氮元素难以整合到代谢途径中。固氮生物(diazotrophs)细菌和古细菌的某些谱系进化出了固氮酶复合物，使这些微生物能够破坏氮原子之间的三键并合成氨。氨是生物系统中二氮的切入点，因为它可以直接被硝化代谢为有机分子或硝酸盐。因此，固氮生物是强大的引擎，可确保为陆地和水生系统中的微生物和真核生物提供大量的生物活性氮。在古生代（Paleozoic tim）初期，早期植物从水生生态系统向陆地生态系统的迁移涉及对可用氮资源、氨、硝酸盐和有机氮（例如，游离氨基酸）的适应。氨和有机氮对于微生物的代谢和能量产生至关重要。因此，植物已经进化出多种策略来获取足够的氮以支持其光合作用和繁殖。植物会形成较大的根系，从而增加了可接触土壤的面积以吸取更多的硝酸盐。即使直接从土壤中摄取硝酸盐，与摄取铵相比耗费更多的能量。植物为提高氮素供应量而发展的另一种策略是与特殊适应的土壤微生物形成营养同盟，从而获得氮素的其他形式。因此，自然生态系统中的氮状况现在取决于植物相关微生物的代谢活性，而微生物的代谢活性又由植物产生的大量碳源所维持。但是，在农业环境中，人类对越来越大的植物生物量的需求已将生态系统带入了安全界限之外（例如，大气中的N₂O排放量在过去650000年中达到了最高水平），威胁到其复原力和功能。

从历史上看，微生物结合对植物氮营养的重要性一直集中在根瘤菌的生物固氮（BNF，biological nitrogen fixation）这样的共生结合。在其他二元关联或植物微生物群的近代研究方面的进展，发现了多种多样的策略，这些策略有助于氮素的吸收和植物对可吸收氮素的缺乏环境的适应。在这里，我们简要回顾了通过植物和微生物的有益结合而获得氮的各种策略。

通过菌根获得氮

Acquisition of nitrogen through mycorrhizae

植物共生基因网络的进化以及真菌中致病性决定因素的丧失，尤其是那些属于球囊菌(Glomeromycota)纲的致病性决定因素的丧失使根际共生菌根得以发展，从而为合作伙伴提供了更强的适应性和生态优势。外生菌根和内生菌根使植物能够通过扩展的菌丝网络运输水、磷和氮的养分来增加被探索的土壤的表层面积。使用同位素标记和差异基因表达的研究表明，丛枝菌根（arbuscular mycorrhiza，AM）真菌吸收了土壤中的氨，并利用根外菌丝体（extraradical mycelia，ERM）中的谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶(GOGAT)将无机氮转化为氨基酸（图1）。精氨酸是在ERM和自由基菌丝体之间运输的氮的一种形式，在其被提供给植物宿主之前，会被精氨酸酶和脲酶转化回氨中。AM真菌还能够分解有机物并直接从土壤中吸收有机氮。一部分这种形式的氮提供给植物宿主，但真菌似乎将其大量用于增加适应性和定殖次级宿主的能力。发现从真菌到宿主的氮通量受到从宿主到真菌的碳通量的正调控，这表明共生伙伴之间的紧密的营养调控。有趣的是，在二元系统中进行测试发现不同的AM真菌将氮转移到植物中的能力不同， Glomus intraradices（根内球囊霉菌）比Glomus hoi（何氏球囊霉）传递更多。此外，对与植物根部相关的真菌群落的微生物群研究发现，在自然环境中，植物被球囊菌目的几个谱系定殖。这种多样化的AM群落是否与植物中的氮营养相关，还有待确定。

图1 通过微生物联合获取氮

Figure 1. Nitrogen acquisition through microbial associations

（a）丛枝菌根真菌吸收土壤中的氨（NH^{4 +}）和有机氮。真菌内的菌丝中的氨先转化为精氨酸，然后再转化为氨运回的植物维管细胞中。 （b）水稻用硝化细菌丰富了其相关的群落，这些细菌将土壤中的有机氮转化为硝酸盐（NO^3-），而这些氮随后被植物通过NRT1.1B转运蛋白吸收。 （c）固氮营养细菌将大气中的二氮（N₂）转化为氨，氨可通过根缔合（I）或共生相互作用（II）进入植物。主要包括谷物和草与固氮营养细菌相关联，它们可以作为附生植物或内生植物定植于植物中。根内菌丝定植可导致局部植物细胞死亡（*）。在根部内部，这些细菌可以具有一种活性氮酶，该酶可以将大气中的二氮转化为氨。豆科植物与固氮营养细菌共生缔合（II），固氮营养细菌产生相容的Nod因子，在大多数情况下会引发根毛内的感染。如果检测到不相容的EPS，植物宿主将停止感染（1）或使侵染线延长至根皮层和根瘤原基（2）。在结瘤细胞内部，细菌被内吞入共生体（3），并启用了固氮酶活性。

根系微生物群有助于氮营养

Root microbiota contributes to nitrogen nutrition

土壤细菌具有出色的分解有机物质的能力，可将复杂的富含N的有机物转化为氨。越来越多的证据（主要是来自生态学研究）表明，植物可能已经通过利用矿化微生物群来引发或丰富其相关群落，从而发展了利用土壤细菌的固氮能力的策略。植物宿主积极参与这种过程的遗传决定因素的初步证据刚刚出现。张婧赢等人已发现，与粳稻相比，籼稻品种的氮素代谢功能增强，从而丰富了其相关微生物群落（图1b）。有趣的是，这种微生物含量增加的与植物氮转运体和感受器NRT1.1B的变化有关。

• NBT封面：水稻NRT1.1B基因调控根系微生物组参与氮利用

与野生型籼稻品种相比，该转运蛋白中的突变体氮代谢细菌丰度群落较低，并且相关的群落氨化过程的关键基因NapA，NapB和NirD等较少。利用简易的重组群落，张婧赢等人发现，从籼稻和粳稻品种中分离出的细菌重组实验得出结论:可以在提供有机氮源的情况下，利用从籼稻分离出来的微生物接种到宿主使得宿主获得更大的芽和根从而重现田间结果。这些结果表明，植物与微生物之间的合作在促进根际氮代谢以促进互利方面具有巨大潜力。NRT1.1B转运蛋白如何物理参与籼稻富集的氮代谢细菌，以及如何将这些发现从实验室扩展到田间仍需要进一步验证。

与根相关的共生内生固氮菌的生物固氮

Biological nitrogen fixation (BNF) by root-associated and symbiotic diazotrophs

在氮贫乏的环境中，内生固氮细菌对增加具有代谢活性的氮输入起着至关重要的作用。他们利用固氮酶复合物将大气中的二氮转化为氨的能力不仅对于他们自己的生存至关重要，而且对于丰富其栖息地中的生物活性氮也至关重要。固氮酶对氧气极为敏感，并且在不同的生物系统中已进化出不同的策略来保护该酶免受不可逆的降解。20世纪初的研究表明，植物和内生固氮细菌可以使氮被固定。这些发现激发了人们对识别能够改善农业区域氮营养的细菌的兴趣。到目前为止，已经鉴定出大量固氮营养菌可以作为附生植物或内生菌，主要与谷物和草结合（图1c），但仅在极少数情况下，植物中营养是真正被细菌固定被证实。甘蔗中的Azospirrillum brasiliense， Gluconacetobacter diazotrophicus和Herbaspirillum  seropedicae以及甘草和稻中的Azoarcus sp证明了固氮营养菌和根的紧密联系，而后来的研究发现在根内环境中有活性的细菌固氮酶NifH基因的启动子。最近，Deynze等人报道了他们鉴定出一种玉米地方品种可以从相关内生固氮菌固定的大气氮中受益。当在墨西哥高地的贫氮地区种植时，这种特殊的玉米地方品种产生了气生根粘液，这被证明是丰富了相关细菌群落中Nif基因库的环境生态位。这些可以提供多达85％的同化氮。

• PB: 发现一种固氮玉米
• 中国科学：玉米可利用气生根进行高效生物固氮

通常，在特定的自然环境或宿主中，具有BNF能力的植物-微生物关联可能会得到促进，并且对双方都经济有效，但是当扩展到其他情形时，效率容易发生较大的变化。这很可能是由于在不同环境下根际中建立的植物-微生物和微生物-微生物相互作用的复杂性。因此，它们在农业中的使用的效应可能低于其潜在的全部生物效应。了解驱动这种相互影响的互作原理、复杂环境中互作的维持和效率是成功的关键。但是，这项任务并不容易，利用植物微生物群落研究、植物和细菌遗传学、种群遗传学、土壤生态学、生物信息学和数学的最新发展进行综合的多学科研究，可能为在农业上有效利用固氮营养铺平道路。

在豆目、山毛榉目、葫芦目和蔷薇目的植物进行结瘤的过程中，已经发展了一种有效的保护固氮酶的策略，该策略为植物提供了直接的有益结果。固氮细菌在细胞内被容纳在共生区室（共生体或侵染线）中，在这里它受益于植物宿主保障的微氧和营养丰富的条件，以产生植物需要的氨。与互利共生相似，细胞内与固氮菌的共生也处于强大的选择压力下，除了山毛榉以外，仅在属于其他三个目的少数植物中被保留。尽管其在植物物种中的渗透力有限，但这种共生相互作用是BNF和全球氮循环（最高25 Tg）的重要贡献者。根瘤内共生互利的建立是一个高度复杂，受到严格调控的生物学过程。最容易理解的系统是那些植物和细菌的基因组遗传信息可获取的系统，例如豆类和根瘤菌以及一些放线菌植物和弗兰克氏菌。

根瘤中生物固氮的效率受寄主与细菌分离物之间的相容性、细菌感染能力的影响，最终受结瘤内部寄主的共生体固氮活性的效率影响。根瘤菌-豆类共生的建立需要分子信号传导来确定相容性和感染起始。豆科受体感知到相容的根瘤性Nod因子引发的共生信号级联反应导致结根瘤器官发生，并形成促进根瘤菌定植的根毛感染线（图1d）。重要的是，这些早期信号事件无法为豆科植物宿主提供有关根瘤菌固氮能力的信息，因此，豆科植物无法以此为基础选择定殖的根瘤菌。宿主根据它们产生的Nod因子和胞外多糖的结构选择其感染共生体，这两种信号均被认为是两步识别机制中的操作。通过在根瘤内表达的富含半胱氨酸的肽，在豆科植物的反向重复缺失类中进化出了更多的兼容性检查层。由于这种选择机制，完全固氮能力不足的根瘤菌突变体与固氮野生型亲本同等地竞争根瘤定植。根瘤菌的共生竞争力决定了根瘤的定植，这可能导致低效的共生相互作用，导致向豆类宿提供的固氮水平较低。然而，到目前为止，已确定仅有限数量的细菌基因与根瘤感染期间的根瘤菌竞争力有关。使用相同菌株或高度相似菌株的细菌种群遗传学研究易于提供控制共生阶段的关键成分。

在根瘤内部，内部共生体依赖于以二羧酸形式的碳源而与宿主独立，例如苹果酸和其他微量营养素，其中硫酸盐对固氮酶的活性至关重要。通过表达编码球蛋白的植物基因来创造微氧环境。这种低氧环境对于诱导固氮所需的细菌基因和促进植物与共生体之间的养分交换是至关重要的。在莲花-中生根虫共生关系共生体依赖宿主提供纯柠檬酸盐，这是固氮酶复合物的关键辅助因子。当细菌在根瘤中定殖后，在接种后10天，编码高柠檬酸(homocitrate) 的Fen1基因被诱导表达。为了促进从类细菌分泌氨，宿主直接干扰细菌氮的代谢。减少了类细菌中的氨同化，以及类似fex的类细菌。发现由豆科根瘤菌形成的那些是营养缺陷的，用于支链氨基酸的运输，并且依赖于豌豆植物来提供它们。在放线菌植物-弗兰克菌共生体中，固定的氮以氨基酸或酰胺的形式释放到植物中，然后分解成氨。

根瘤菌在根瘤内部，对于宿主和细菌组分协作微调固氮效率人们还知之甚少，在植物和细菌遗传学上通过育种和接种选择来改善农业环境中的BNF的研究知之甚少。共接种实验表明，根瘤菌可以相互补充缺失的成分，引起根瘤菌混合定植。另外，在同一根上形成的根瘤是独立事件，可以由相容但不同的共生体引发。在自然环境中，根瘤共生体的发育与根微生物群落的建立同时发生，并且非共生细菌通过共生根瘤菌引发的感染过程进入根瘤。因此，在植物上形成的根瘤含有以固氮根瘤菌为主的微生物群落。在农业中，使用有效的固氮根瘤菌菌株对豆类种子进行了包衣，但是，由于接种菌株的持久性较弱、与已经适应的天然土壤根瘤菌种群之间的竞争力差，这种做法效应差异很大。为了最大程度地减少不利菌株的有害影响，豆类植物能够对未提供足够固定氮源的根瘤进行制裁，不仅可以在整个根瘤水平上，也可以在细胞中自主性进行。制裁无效的固氮根瘤对于维持共生关系具有重要的进化意义。但是，豆科植物针对作弊者的制裁机制，尤其是在细胞自主水平上，尚不为人所知，尚待发现。

结论

人口的增长以及集约化耕种引起的令人忧心的生态系统紧张，对农业系统构成了巨大挑战。与自然界中的健康植物相关联的复杂微生物群落已成为可持续农业中氮素营养尚未开发的巨大资源。植物和细菌遗传学极大地促进了我们对分子组分的复杂性和多样性的理解，而分子组成的复杂性和多样性对进化上不同的根瘤共生酶中固氮的效率做出了贡献。这些发现为解决非豆类工程BNF的长期挑战性任务奠定了坚实的基础。在微生物群落水平上的多项努力对了解、预测和控制植物与微生物的相互作用，是充分挖掘其有益潜力的关键。在基本的和预测性的理解水平上解决此类复杂的交互作用需要集成的系统方法，在该方法中，通交叉学科的经验和理论方法来分析和改善群落的理解。

编译：翟志文，中科院遗传发育所在读博士，微生物组数据分析方向

编辑：刘永鑫，中科院遗传发育所工程师，微生物组数据分析方法