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。
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。
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