根瘤裡面竟然有NPC！他們在裡面幹嘛？

自從1888年，荷蘭的學者Martinus W. Beijerinck發現根瘤內有根瘤菌之後，很長一段時間，大家都認為，植物的根瘤裡面就只有根瘤菌。

當然，會這麼想其實蠻合理的。畢竟，在根瘤裡住著非常多的根瘤菌，要分離出別的菌，大概也不太容易。而且，就算看到了其他的菌，有些科學家可能也會認為是污染吧！畢竟土壤裡面本來就有各式各樣的細菌，若不小心操作，污染到其他的細菌也是很正常的事啊！

不過，如果「污染」重複出現，就會有科學家注意到，好像不是「污染」耶？慢慢的，越來越多科學家注意到這件事，於是就開始研究這些根瘤中的NPC們，並把它們稱為「根瘤附屬微生物體」（nodule accessory microbiome）。

這些NPC們，到底有什麼功能呢？為了研究它們，有科學家在法國的利穆爾（Limours）收集了土壤，將這些土壤與珍珠石與沙子混合，然後把濱海苜蓿（Medicago littoralis）種在裡面30天，再收集裡面的根瘤。

濱海苜蓿。圖片取自維基百科

結果發現濱海苜蓿有兩種根瘤，一種是粉紅色的，另一種則是白色與棕色的。過去的研究發現，只有粉紅色的根瘤有固氮活性；但是並不代表這一定就是兩種不同的細菌造成的，也有可能是因為植物本身因應需求而「關掉」根瘤所造成的現象。

於是研究團隊把所有的根瘤混在一起處理，培養之後發現有好些不同的細菌。其中有三隻鑑定為Ensifer adhaerens。雖然這個屬底下有三種菌是固氮菌，不過這位仁兄跟它們關係其實並不親近，所以他們決定要研究這幾隻細菌。

結果發現，其中一隻被命名為T4的菌，雖然可以單獨在許多豆科植物中形成根瘤，但是形成的根瘤並不具有固氮活性。怎麼說呢？原來，當研究團隊用它來感染豆科植物時，產生的根瘤是白色或棕色，而不是健康的粉紅色。這些根瘤的體積比較小，而且當研究團隊使用乙炔還原實驗（acetylene reduction assay）來測試固氮酶（nitrogenase）的活性時，完全測不到酵素的活性。

進一步分析T4的基因體，研究團隊發現，T4少了關鍵的固氮基因nifHDK。這個基因會產生固氮酶複合體，缺少它意味著T4根本沒有固氮的能力。另外，在T4根瘤中，關鍵的共生基因如根瘤血紅蛋白表現量都很低，但是防禦與衰老的基因表現量卻升高了。

在植物的觀察上，研究團隊也發現，接種T4的植物比接種有效根瘤菌的植物長得差很多，只有大概一半大（降低53%）。這也意味著T4其實對植物沒什麼幫助。

所以，T4不但是一個NPC，還會扯植物的後腿！但是，T4對植物來說，就只是扯後腿而已嗎？

研究團隊發現，T4對幼苗特別有害。他們把0-6天大的植物接種T4，觀察植物的生長情形。結果發現，0-1天大的植物，在接種T4後3天就會停止生長；植物的子葉閉合、無法展開第一片本葉。2天大的植物，雖然有影響但相對較輕微；3-6天大的植物，T4就無法危害它們了。

研究團隊使用了螢光標記T4，發現在0-1天大的幼苗裡，它們最喜歡住在子葉與胚軸而不是根部。幸好，他們發現T4的致病性和根瘤形成能力主要作用於IRLC分支的成員，雖然這個分支包括了兩種重要的農作物豌豆與小扁豆，不過只要幼苗期多小心一點，應該也不會有太大的害處。

有趣的是，在南苜蓿（M. polymorpha ciliaris）中，T4可以形成根瘤但不具致病性，說明這兩種特性是可以分開的。

南苜蓿。圖片取自維基百科

所以，過去本來認為根瘤裡面只有根瘤菌，後來發現還有許多NPC，而這個研究發現，這些NPC們也不是那麼路人喔！

參考文獻：

Magne, K., Massot, S., Folletti, T. et al. Atypical rhizobia trigger nodulation and pathogenesis on the same legume hosts. Nat Commun 15, 9246 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53388-x