没貂用】新研究发现海草根内的联合固氮菌,共生方式类似陆生植物

氮元素是植物需求量最高的无机营养素。尽管空气中富含大量的氮气,但是这种惰性的分子并不能被植物直接利用。而很多细菌具有独特能力,能将气态的氮气转变为可被植物吸收利用的铵盐(该过程称为生物固氮,这类细菌统称为固氮菌)。因此,陆生植物发展出了形形色色的与固氮细菌合作的方式。最著名的例子是能形成根瘤结构的豆科植物:在根瘤共生中,根瘤菌和根细胞产生极亲密接触:细菌会侵入细胞里!根细胞的细胞膜将细菌吞入包裹起来,给根瘤菌提供生活所需的糖类营养,而菌则回馈以铵盐离子。豆类根部会长出一个个小圆结节来容纳根瘤菌,形成特别的共生结构。尽管这种共生固氮系统非常高效,但是大部分植物做不到和固氮菌如此亲密的贴贴。植物细胞对于外界接触的微生物严格把关,并不会轻易让细菌入侵细胞内。因此,一些植物选择了更柔和的方式容纳固氮菌:让细菌住在细胞间隙,但是不破坏细胞壁侵入细胞膜。这种寄居在植物细胞间隙的微生物统称为内生菌(endophyte)。一些不能与根瘤菌结瘤的禾本科植物(如甘蔗、小麦)能募集具有固氮能力的内生菌,让细菌定居在根内的细胞间隙①,即满足了氮的获取,又不用和细菌过分亲密,保持了良好的“社交距离”。这种介于特异接触和相互自由之间的合作固氮关系,称之为“联合固氮 associated N fixation”

最近科学家发现② ④,海洋生活的大洋海神草(Posidonia Oceanica)也采用了类似陆地禾草所用的联合固氮模式。在一亿年前,海草的祖先捷足先登重返海洋,在贫困的底滩开疆拓土。这些海草床是近海区的重要生态系统:不止产出大量氧气、固定很多大气溶解CO2,还给很多动物提供了容身之所。而困惑学者很久的问题是,近海水域的氮含量经常亏缺,尤其是藻类爆发争夺养分的夏季。但海草也在夏季茁壮成长,它们一定有什么吃饭诀窍来保证在养分争夺的厮杀中站稳脚跟。以往的研究确定了海草床的沙地中有不少自由生活的固氮菌。自由固氮菌不需要依靠植物,自己独立生活。但是固氮效率比较低,给土壤提供的养分有限。研究人员有理由相信海草可能和一些固氮菌建立了短距通讯,以更近更快地获取氮元素。

Marcel Kuypers团队成功地发现了这种亲密关系。他们在大洋海神草的根部鉴定分离出了一个细菌新种,Candidatus Celerinatantimonas neptuna (Ca. C. neptuna) ③。该细菌的基因测序结果显示其具有全套的固氮基因群,可以执行完整的固氮功能。科学家通过同位素标记的氮气来追踪固氮产物的流向,明确了氮元素会从细菌流向植物组织,并且这种流动和季节显著关联,在夏季海草旺盛生长的时候地上部摄取的同位素氮明显增多。这也解释了海草是如何在夏季打赢养分争夺战的。

除了固氮这个功能之外,荧光显微技术则明确了这种细菌确实是生活在植物根内的,并且有些可以“神秘地”进入细胞内部。C.neptuna定殖的海草根内微生物群落也有明显的不同,C.neptuna成了根内微生物的主力军,而其他不和C.neptuna共生的海草根内几乎找不到这种细菌。C.neptuna在根外分布很少,可见它似乎非常适应根内环境。细菌的基因组信息也展示出很多内生菌所必须的功能基因(比如对抗植物的免疫攻击、降解细胞壁成分、识别植物给的信号),同时显示出这种细菌也具备独立生活的能力。这种可以在内共生和自由生活之间切换的特性和陆地上那些内共生固氮菌一致。有趣的是,与这个细菌关系最近的亲属,C. diazotrophica,是从一些盐沼生长的灯芯草属(Juncus)和米草属(Spartina)的根中分离出来的。这个属的微生物普遍具有和植物共生的能力。

这个全新的细菌-海草内共生联合固氮体系的发现带来了无限的机遇和挑战。海草是如何识别和接纳这种细菌的?其他地区的其他种海草是不是也有类似的共生伙伴?内生固氮菌对于海草下海的演化有什么样的推动作用?这样的共生菌对于受威胁的海草床生态系统保护有什么价值?都是激动人心的新问题。

内共生固氮菌和海草互作的示意图。粉色的是固氮菌。细菌主要定殖在植物根的皮层部分。
a.海神草草床样貌 d.e. 联合显示氮元素的固定和转移。e图是根内微生物固氮的含量,在7、8、8月中固定含量明显升高,与植物生长旺季相匹配。D图是植物叶片中检测到的氮元素转移含量变化,和根部固氮含量匹配,在固氮含量多的时候(7月)转移的也更多。
荧光显微镜显示的根内微生物情况(左图d)。植物细胞壁染色为绿色,细菌染色为粉色和蓝色叠加色。可以看出细胞间隙有大量的微生物聚集。 右图(e)是同位素示踪的展示,右侧色条梯度展示的是同位素标记的N含量。颜色越黄说明同位素N越多,这表明固氮过程越活跃。注意横跨两幅图的白色箭头显示的细菌集群。

参考文献:

①:Boddey, R.M., Dobereiner, J. Nitrogen fixation associated with grasses and cereals: Recent progress and perspectives for the future. Fertilizer Research 42, 241–250 (1995). https://doi.org/10.1007/BF00750518

① ②:一篇针对该文献的评述:Douglas G. Capone. A seagrass harbours a nitrogen-fixing bacterial partner  doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-02956-y

③:注释:Celerinatantimonas是属名,neptuna是种加词,罗马海神的名字,如此命名是因为其寄主海神草的英文名是Neptune grass。Candidatus是原核生物命名的一个“限定词”,用来指代经过测序鉴定但是未经过纯培养明确的物种。

④ 全文内容文献:Mohr, W., Lehnen, N., Ahmerkamp, S. et al. Terrestrial-type nitrogen-fixing symbiosis between seagrass and a marine bacterium. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04063-4

没貂用】没用的知识增加了。

一个读文献,顺手写点小科普的项目。永远在写不是热点的科普 :D



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