细菌植物共生体之间的竞争会降低他们所提供的服务

植物结盟与土壤中微生物的生长。豆类,例如,受益于一个共生关系在根部微生物栖息结节和“修复”氮在大气中使它可以促进豆科植物的生长。但是微生物总是有益的植物吗?还是株植物之间的竞争访问降解细菌最终提供的服务?

加州大学的科学家领导的研究小组,河畔,建立实验来回答这些问题,更好地理解竞争的过程。研究人员使用加州本地植物和结节,Acmispon strigosus,和一组八个兼容的固氮菌株。他们有些植物感染了每一个八株直接测量感染植物和提供福利的能力。然后他们与双菌株感染其他植物来评估每个应变的竞争能力和对装置性能的影响。

研究人员发现,土壤中有益的细菌菌株之间的竞争降低了细菌对宿主提供服务。

“更具体地说,我们发现不同品系间的竞争,发生在前的土壤细菌感染植物引起的细菌在植物较少,导致植物最终获得较小的好处,”乔尔·萨克斯说,教授进化,生态,和生物的生物学,领导这项研究的团队。“理解共生,我们经常使用无菌条件,细菌菌株之一是“接种”或引入一个无菌的主机。我们的实验显示,使系统更复杂,只需使用两菌株——从根本上改变主机收到利益的平衡,重塑我们的理解的共生关系是如何工作的。”

研究结果发表在《当代生物学》杂志上。

萨克斯解释说,在农业的核心挑战是利用微生物的服务可以提供农作物以可持续的方式促进经济增长,没有化肥的环境成本。他的实验室研究根瘤菌-细菌,促进植物生长。对可持续农业Rhizobial竞争是一个长期存在的问题。豆科植物根瘤菌形成根瘤,其中植物的固氮细菌,以换取碳从光合作用。种植者一直试图利用根瘤菌可持续施肥主要豆科作物如大豆、花生、豌豆和绿豆。

“人们可能会想用根瘤菌菌剂应该允许种植者减少化学氮肥的使用,环境破坏,”萨克斯说,主席的进化,生态,生物的生物学。“但这样rhizobial接种很少成功。种植者接种庄稼时高质量的根瘤菌菌株,解决大量的氮,这些“精英”已经得到与土著根瘤菌菌株在土壤和主机提供很少或根本没有好处。”

在他们的实验中,(goldman Sachs)和他的同事使用菌株的基因组已经测序。他们也为菌株,范围从非常有益的固氮效率低下,确切知道他们是多么有益的目标植物物种。研究者测序1100多结节的内容,每一个都是来自一个工厂接种28种不同应变的组合之一。

接下来,研究人员开发了数学模型来预测多少好处co-inoculated植物从植物基于预期将获得“无性生殖感染”(感染菌株)。这使得研究人员计算造成的赤字增长特别是不同品系间的竞争。

“我们的模型显示,co-inoculated低得多的利益共生植物比从克隆可能会感染,”说阿拉法特•拉赫曼(goldman Sachs)前研究生的实验室和研究论文的第一作者。“虽然有益的细菌在实验室里工作,他们击败的自然环境。最终,我们想找一个应变的细菌——或一组给寄主植物和最大好处是竞争对菌株已经在土壤中。”

萨克斯解释说,发现和开发一个菌株是非常有益的植物,科学家需要在非常干净的条件下进行实验。

“最终,我们想在农业中使用有益的细菌,”他说。“通常,识别这些细菌,我们会添加一个菌株在实验室和植物表明,植物生长与应变比没有好多了。在野外,植物覆盖着微生物,复杂的故事。先进在我们的实验中,我们使用一个应变两个菌株,看看对植物生长的影响。只有两个菌株,有趣的是,我们的许多预测破裂。”

拉赫曼强调,虽然实验需要确定如何有益菌株,实验中,观察竞争压力是对面板所需的其他菌株也。

“这两个步骤是至关重要的,”他说。“我们发现了一些最好的菌株可以高度有利于植物生长,但只要你对他们与其他菌株,优点是大大减少。进一步说,重要的是要知道在哪个阶段不同品系间的竞争:发生在细菌与植物或交互?我们的工作表明,它的前任和提供了一个有用的指南设计未来实验旨在发现菌株对交付更好的作物。”

萨克斯说,目前在很多实验设计重点是植物的好处。

”是很重要的,但是,请记住,细菌是由自然选择,”他说。“他们中的一些人可能是高度竞争进入结节感染植物,但不是很有益的植物,可能是一个特征,在自然界中胜出。如果我们要利用微生物群落的服务他们可以提供植物和动物,我们需要了bet188真人解不同品系间的动力学在这些社区。”

(goldman Sachs)和拉赫曼表示,可持续发展实践需要一个关键方面的新农业养活不断增长的人口在一个有限的资源基地。

“这将需要超越污染方法如添加大量化学氮土壤,”萨克斯说。“了解如何有效地向目标主机是一个提供有益的微生物主要挑战在医学、农业、科学和牲畜。通过揭示不同品系间的动力学可以减少共生的好处,我们的工作的研究打开了新的途径来提高可持续农业实践。”

参考:拉赫曼,Manci M, Nadon C, et al。根瘤菌之间的竞争干扰减少福利主机。咕咕叫杂志。2023;33 (14):2988 - 3001. - e4。doi:10.1016 / j.cub.2023.06.081

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