植物共生脆弱的伙伴关系

所有植物都需要足够的无机营养素供应，例如固定氮(通常以氨或硝酸盐的形式)，以便生长。因此，一组特殊的开花植物依赖于与固氮细菌作为固定氮源的紧密共生关系。该工厂提供专门的根瘤作为其细菌的外壳，使他们能够利用富含能量的有机碳化合物，以换取它们从大气氮中产生的氨。因此，双方都从这种关系中获益。

然而，慕尼黑分子生物学家在慕尼黑路德维希 - 马克西米利安大学(LMU)和法国和中国同事合作的亥姆霍兹中心慕尼黑(HMGU)进行的37个植物基因组的比较研究表明，形成根的能力在进化过程中，结核伙伴关系一再丧失。新发现出现在领先的期刊“科学”杂志上。

目前，针对固氮细菌的存在而形成根瘤的能力仅限于四种开花植物(Fabales，Fagales，Cucurbitales和Rosales)，许多农业上重要的物种都属于这些植物，包括豆类，豌豆和大豆。因此，新研究的作者认为，这种共生的遗传基础最初是在这些群体的共同祖先中进化的。

“然而，构成这四个命令的28个植物家族中只有10个现在能够形成固氮根瘤。此外，其中9个家族中的大多数属不采用共生生活方式，”LMU遗传学教授说。 Martin Parniske，他发起了国际合作。为了确定植物家系中根瘤共生相对较低发生率的遗传基础在其中发生的情况下，该联合体收集了DNA样本，中国的BGI对10种物种的整个基因组进行了测序，这些物种形成了具有不同细菌共生体的不同类型的结节，其采用不同的感染策略。与LMU和HMGU密切合作，然后将这些物种的基因组序列数据包括在代表上述四种顺序的37种植物物种的全基因组比较中。令所有人惊讶的是，分析显示，这些群体的许多成员 - 包括草莓，黑莓和苹果等知名品种 - 曾经拥有，但后来失去了形成共生的能力。

“我们发现基因NODULE INCEPTION(NIN)是根瘤共生的必要先决条件，已经被几种不同谱系的突变反复独立地禁用。因此，功能基因很可能存在于共同的祖先中。LMU的博士生，HMGU与Manuel Spannagl，Georg Haberer和Klaus FX Mayer，植物基因组学和系统生物学系主任密切合作，解释了这些系列，但后来多次独立丢失了。 HMGU的基因组，基因分析。“这些发现完全出乎意料。在许多陆地生态系统中，低氮可用性是限制植物生长的一个因素，因此可以预期共生与选择性优势相关联，“Parniske补充道。

根据该论文的作者，这些共生体经常崩溃的一个可能原因是根瘤可能被寄生细菌侵入，寄生细菌竞争并消耗植物提供的化合物而不提供氮气作为回报。在这种情况下，共生的丧失应该有效地作为一种进化适应，有利于植物逃脱这种形式的剥削。共生不再有益于宿主的其他情景也是可以想象的，例如持续的氮供应过剩或其他基本物质如水或磷酸盐的可用性限制植物生长的情况。

在合成生物学领域，正在努力为非共生作物植物提供建立根瘤共生的能力，以期通过施用对环境有问题的肥料减少供应固定氮的需要。“我们的结果表明，进化对根瘤共生的维持施加了选择性压力，未来的研究需要考虑这一因素，”Mayer说。