Different Arbuscular Mycorrhizal Fungi Cocolonizing on a Single Plant Root System Recruit Distinct Microbiomes

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Zhou J, Chai X, Zhang L, George TS, Wang F, Feng G.

mSystems. 2020 Dec 15;5(6):e00929-20.

doi: 10.1128/mSystems.00929-20. PMID: 33323417; PMCID: PMC7771537.

Different Arbuscular Mycorrhizal Fungi Cocolonizing on a Single Plant Root System Recruit Distinct Microbiomes | mSystems
Arbuscular mycorrhizal (AM) fungi form tight symbiotic relationships with the majority of terrestrial plants and play critical roles in plant P acquisition, add...

 植物-アーバスキュラー菌根菌(arbuscular mycorrhizal: AM)の共生は、4億6千万年以上前から存在している。その結果、陸上植物の80%以上が、栄養分の効率的な取り込みやストレスに対する抵抗力を高めるために、AM菌と共生している。これらの共生を利用することは、環境的にも経済的にも高い価値がある。AM菌は、植物の根と同様に、土壌中で大規模なネットワークを形成し、炭素を放出し、土壌微生物をリクルートして菌糸をコロニー化させる。近年、AM菌の菌糸と細菌の密接な協力関係が観察されており、顕微鏡観察や分子解析などの複数の証拠に裏付けられている。菌根機能において重要な役割を果たしていることから、AM菌の糸圏(hyphosphere)に関連する細菌は、植物-AM菌共生の第三の構成要素として同定されている。糸圏微生物叢を明らかにすることは、地下の生態系をよりよく理解するために不可欠である。

 pHや空間構造などの多くの土壌因子が、植物の根に関連する細菌群集に影響を与えることが確認されているが、AM菌もまた、主要な決定因子として同定されている。自然および農業システムでは、菌根植物の根系は、通常、多様なAM菌種によって同時にコロニー化される。コロニー化したAM菌は、異なる形態学的、生理学的、遺伝学的特性を有する。共存するAM菌種は、宿主植物の成長とリンの取り込みに異なる貢献を示す。例えば、Glomus intraradicesは、根の表面を越えて利用可能なリンパッチに迅速にコロニー化し、根に向かって大量のリンを輸送することができ、一方、Glomus margaritaはリンが少ない根の近くに密な菌糸体ネットワークを形成することにより、植物にリンを与えることが示されている。さらに最近のAM菌の全ゲノム配列の解読は、機能の遺伝的制御に大きな変異があることを示唆している。例えばGlomus roseaは、Rhizophagus spp.よりもはるかに大きなセクレトームサイズとより多くの分泌タンパク質を含んでいる。以上のような形態学的、生理学的、および遺伝学的な違いを総合すると、AM菌の菌糸滲出液は異なる可能性が高く、それが菌糸微生物群集の構造および機能の違いにつながる可能性が高いことが示されている。これを明らかにすることは、真菌-細菌相互作用研究の中心的な問題である、細菌と菌根菌がどのように結びつき、相互に有益な関係になるのかを理解するための、基本情報となる。

 いくつかの要因が、植物-AM菌類-土壌システムにおける糸圏微生物群集組成の結果に影響を与える可能性がある。第一に、植物の根の滲出液は土壌微生物群集のリクルートにおいて重要な因子である。菌根滲出物が糸圏微生物群集特性に及ぼす影響を直接的に示す証拠を得るためには、菌根滲出物の影響を分離することが不可欠である。第二に、AM菌糸体の活性が重要である。これまでの研究では、土壌細菌は生きている菌糸と死んでいる菌糸をコロニー化する能力に違いがあり、これは関与する菌根菌種によっても影響を受けうることが示されている。したがって、糸圏微生物叢を同定するためには、生きている菌糸と死んでいる菌糸を試験できる方法が必要である。第三に、真菌によって誘導される植物生理の変化によるAM菌の生育に対する植物のフィードバック効果が重要である。過去には、この因子を評価するために、植物の単一の根系にコロニーする異なるAM菌種への炭素の割り当てを定量化するために、split-root法が使用されていた。

 本研究では、単一の根系にコロニー化した異なるAM菌種は、異なる微生物叢をリクルートするのではないかという仮説を立てた。この仮説を検証するために、我々は新しい統合的なアプローチを開発した。ここでは我々は、根の滲出物が糸圏コンパートメントに拡散するのを防ぎ、フィードバック効果を回避するためのバッファゾーンを設定した、分割根、コンパートメントされた根箱の中で、綿花植物(Gossypium hirsutum L.)を栽培した。2つの独立した実験を行った。実験1では、2種類の異なるAM菌であるFunneliformis mosseaGigaspora margaritaを別々の2つの根コンパートメントに接種し、実験2では、Rhizophagus intraradicesGigaspora margaritaを2つの根コンパートメントに接種した。収穫前の最後の1週間の間に13CO2を用いて植物-AM菌-菌糸関連細菌をパルス標識し、13C-DNA-SIP (stable isotopic probing)法およびMiSeqハイスループットシーケンシングによって活性菌糸関連微生物叢を試験した。その結果、単一の根系に同時にコロニー化している異なるAM菌種が、互いに異なる活性微生物叢を宿主としていることがわかった。さらに、異なる微生物叢の潜在的な機能が異なることも明らかになった。このことから、根系のAM菌根菌が、異なる微生物叢のリクルートに関与していると結論づけられた。

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