植物共生受体调控根系微生物组促进蒺藜苜蓿共生与生长的机制研究

本研究揭示了蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)的几丁质寡糖(CO)受体LYR4和CERK1通过调控根系细菌群落组成，激活共生信号通路并促进丛枝菌根真菌(AMF)共生的分子机制。研究人员构建了合成细菌群落(CO-SynCom)，证实其依赖CO受体增强植物生长和磷吸收，为可持续农业中微生物组工程应用提供了新思路。

　　

在自然界中，植物根系与土壤微生物形成复杂的共生网络，其中丛枝菌根真菌(AMF)与80%的陆生植物建立的互惠关系尤为关键。这种共生体系能显著提升宿主植物对磷等营养元素的吸收效率，但其调控机制仍存在重要空白：植物如何协调免疫识别与共生信号传导？根系共生受体是否影响非共生微生物的组装？这些问题的解答对开发微生物组调控技术至关重要。

中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究团队在《Current Biology》发表的研究中，以模式豆科植物蒺藜苜蓿为对象，发现其几丁质寡糖(CO)受体LYR4和CERK1不仅能感知AMF信号，还显著塑造根系细菌群落结构。通过构建由24个菌株组成的合成细菌群落(CO-SynCom)，研究证实这些受体依赖的微生物可激活植物共生信号通路，使AMF定殖率提升50%以上，同时促进植物生长和磷吸收。该研究首次建立了CO受体-微生物组-AMF共生三者间的调控网络。

关键技术方法包括：①自然土壤与无菌栽培系统结合的比较微生物组分析；②基于16S rRNA测序的根系特异微生物(RSM)鉴定；③包含24个菌株的CO-SynCom构建与功能验证；④AMF染色与共生表型定量分析；⑤转录组测序(RNA-seq)揭示LYR4/CERK1依赖的基因调控网络。

【CO受体调控独特的根系细菌群落】

通过比较野生型与受体突变体(lyr4、cerk1、nfp)的根系微生物组，研究发现CO受体显著影响细菌群落β多样性（PERMANOVA p<0.001），使Deltaproteobacteria减少而Firmicutes增加。共现网络分析显示，CO受体调控89个关键菌属（占网络节点的61%），包括Pseudomonas和Flavobacterium等核心类群。

【合成菌群促进共生依赖的生长】

从野生型根系分离的CO-SynCom在无菌系统中使植物生物量增加35%（p<0.01），且该效应在lyr4/cerk1突变体中消失。与AMF共接种时，CO-SynCom处理组的磷含量提升2.1倍，并显著增加丛枝结构形成（图3D，4B），证明微生物组与AMF存在协同效应。

【分子机制解析】

RNA-seq发现CO-SynCom激活1,972个LYR4/CERK1依赖基因，包括共生相关基因MtPT4和MtRAM1。GO分析显示这些基因富集于激素通路（生长素、ABA）和氮代谢过程（图5C，5F），而氧化还原酶活性等防御通路被抑制，表明微生物组通过重编程宿主代谢促进共生。

该研究突破性地揭示了植物通过CO受体"驯化"特定根系微生物，进而优化AMF共生的双重调控机制。从应用角度看，CO-SynCom的构建为设计"益生菌-AMF"联合制剂提供了候选菌株库；从理论层面，阐明了受体介导的微生物组组装如何桥接植物免疫与共生发育。这些发现为减少农业磷肥使用、开发新型微生物肥料奠定了科学基础，也为理解植物-微生物共进化提供了新视角。