真菌可以操纵细菌使土壤富含养分

诸平

Fig. 1 Arbuscular mycorrhizal fungi lengthen lengthy filament-like constructions referred to as hyphae far out into the soil. The hyphae, that are smaller than a human hair, domesticate their very own microbiome. Credit: Maria Harrison

据博伊斯·汤普森研究所（Boyce Thompson Institute简称BTI）2021年4月2日提供的消息，该研究所（BTI）的一组研究人员发现了一种特定的细菌，可以帮助真菌和作物获得土壤养分。这些发现可能为实现经济高效，生态友好的战略提供了最好的途径，该战略是提高土壤肥力、提高农作物产量、减少农民对标准肥料的依赖。相关研究结果于2021年3月1日已经在《ISME杂志》（The ISME Journal）网站发表——Bryan D. Emmett, Véronique Lévesque-Tremblay, Maria J. Harrison. Conserved and reproducible bacterial communities affiliate with extraradical hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi. The ISME Journal (2021). DOI: 10.1038/s41396-021-00920-2. Published: 01 March 2021. https://www.nature.com/articles/s41396-021-00920-2

图1是丛枝菌根（Arbuscular mycorrhizal fungi简称AM）真菌将长长的丝状结构(称为菌丝)延伸到土壤深处。这些菌丝比人类的头发还细，它们能驯化自己的微生物群。

研究人员知道，丛枝菌根（Arbuscular mycorrhizal fungi简称AM）真菌与70%的土地作物的根建立了共生关系。在这种关系中，农作物利用脂肪酸为真菌提供氮和磷。但是，AM真菌缺乏想要从复杂的天然分子中释放氮和磷的酶。

由BTI的玛丽亚·哈里森（Maria J. Harrison）教授，也是上述研究论文的通讯作者领导的3名BTI科学家感到困惑，对不同的土壤微生物是否可能会帮助真菌吸收这些营养素。在检验这种可能性的主要步骤中，该研究小组调查了AM真菌是否与一组选定的细菌群相关联。3月1日在《ISME杂志》上发表的论文中对此分析进行了描述。

研究小组检测了寄生在被称为菌丝的长丝状结构表面的细菌，真菌将菌丝延伸到从宿主植物移出的土壤中。在两种真菌的菌丝上，研究小组发现了极其相似的细菌群落，它们的组成与周围土壤中的细菌群落截然不同。

美国康奈尔大学综合植物科学学院（Cornell University’s School of Integrative Plant Science）的兼职教授玛丽亚·哈里森说：“这告诉我们，就像人类的肠道或植物的根系一样，AM真菌的菌丝也有自己独特的微生物群。我们已经就这些细菌的作用进行了一些有趣的预测，比如帮助获取磷酸盐。”

她补充说：“如果我们做对了，那么为土壤中的某些细菌增肥土壤可以增加作物的产量，并最终减少对传统肥料的需求，以及与之相关的成本和对环境的影响。”参与此项研究的合作者布莱恩·埃米特（Bryan Emmett）和维罗妮卡·莱韦斯克-特朗布莱（Véronique Lévesque-Tremblay）以前是BTI科学家。

在真菌之中（Among the fungi）

在该研究中，研究团队使用了两种AM真菌：Glomus versiforme和Rhizophagus irregularis，并将它们在三种类型的土壤中与二穗短柄草（Brachypodium distachyon，一种与小麦相关的草种）共生。在让真菌与此草一起生长长达65天后，研究人员使用基因测序方法建立了附着在菌丝表面的细菌。

该小组发现了来自两种真菌物种的细菌群落组成中的出色一致性。这些群落在所有三种土壤类型中都具有可比性，但是与那些远离细丝的土壤中存在的群落完全不同。玛丽亚·哈里森说，这些细菌的作用还不是很清楚，但是它们的组成已经激发了一些令人着迷的潜力。

玛丽亚·哈里森说：“我们预测其中一些细菌会在细丝的附近释放出磷离子，从而使真菌获得捕获这些离子的最佳机会。” “了解哪些细菌具有此功能可能是增强真菌的磷酸盐获取过程以使植物受益的关键。”

玛丽亚·哈里森的小组正在研究控制细菌在细丝上聚集的成分。玛丽亚·哈里森认为AM真菌可以分泌吸引这些细菌的分子，而相反，细菌群落可以影响真菌分泌的分子。

高速公路巡警（Highway patrol）

在菌丝微生物群系中，有粘球菌（Myxococcales）的成员，也有不同的类群，它们拥有细菌捕食者，这些捕食者杀死并吃掉不同的细菌，使它们爆裂并释放其内容物。

布莱恩·埃米特说：“这些捕食者通过沿着表面滑动而转移，这样真菌细丝就可以充当线性捕食通道。”布莱恩·埃米特目前是美国农业部设在爱荷华州埃姆斯的农业研究局的一名分析微生物学家。 “虽然许多土壤细菌似乎沿着土壤中的真菌菌丝传播，但这些捕食者可能使这一旅程变得更加危险。”虽然并非每根细丝上的这些分类单元中的每个成员也都具有掠食性，但玛丽亚·哈里森的研究小组计划研究这些被认为是掠食性动物的物种，它们是如何以及为什么聚集在那里的。她说：“掠食性细菌的作用有可能使周围土壤中的每个个体都能获得矿物质营养素，掠食性细菌和真菌都一样。由此表明真菌使用巧妙的方法在地下到处觅食。上述介绍仅供参考，更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Extraradical hyphae (ERH) of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) extend from plant roots into the soil environment and interact with soil microbial communities. Evidence of positive and negative interactions between AMF and soil bacteria point to functionally important ERH-associated communities. To characterize communities associated with ERH and test controls on their establishment and composition, we utilized an in-growth core system containing a live soil–sand mixture that allowed manual extraction of ERH for 16S rRNA gene amplicon profiling. Across experiments and soils, consistent enrichment of members of the Betaproteobacteriales, Myxococcales, Fibrobacterales, Cytophagales, Chloroflexales, and Cellvibrionales was observed on ERH samples, while variation among samples from different soils was observed primarily at lower taxonomic ranks. The ERH-associated community was conserved between two fungal species assayed, Glomus versiforme and Rhizophagus irregularis, though R. irregularis exerted a stronger selection and showed greater enrichment for taxa in the Alphaproteobacteria and Gammaproteobacteria. A distinct community established within 14 days of hyphal access to the soil, while temporal patterns of establishment and turnover varied between taxonomic groups. Identification of a conserved ERH-associated community is consistent with the concept of an AMF microbiome and can aid the characterization of facilitative and antagonistic interactions influencing the plant-fungal symbiosis.