【Nature Plants】哥倫比亞大學顛覆了植物共生固氮的固有認知!

2021-02-15 iPlants

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  2018年8月20日，Nature Plant雜誌發表了哥倫比亞大學Benton N. Taylor團隊發表了課題為」Light regulates tropical symbiotic nitrogen fixation more strongly than soil nitrogen」的研究論文，該論文報導了目前對於植物共生固氮的研究進展，重點關照了根瘤菌產生的過程，從而設計實驗,比較光照和土壤氮兩個因素量不同時的共生固氮的效率，發現了相較於土壤氮，光照才是影響原位森林幼苗共生固氮的更關鍵因素。

  共生固氮是指植物與微生物共同生活在一起時，由微生物在共生狀態下把外界的氮吸收並固定到植物體內。這一方式是很多被子植物體內氮元素的重要來源之一，然而現在對於固氮效率的研究，尚主要局限於土壤因子。普遍認為土壤氮是影響植物共生固作用的重要因素。事實上，這一過程還有很多其他因素更為關鍵，比如光照。

 

   2016年至2017年，Benton N. Taylor在哥斯大黎加埃雷迪亞省的前山溼地森林中的La Selva生物站進行了開放式屋頂實驗和森林苗木取樣。研究對象是被稱作Pentaclethra macroloba（大列葉五凱木）的當地樹種。Pentaclethra macroloba的生長對光環境變化敏感，並且之前也有研究表明其固氮水平隨著土壤氮的有效性而變化。所以這是實驗的理想對象。整個實驗兩因素（土壤氮比例，光照強度）三水平（高中低）的正交試驗。Benton隨機採集Pentaclethra macroloba的種苗，在以上所述的不同環境下進行栽培，在N上做了同位素生物標記用於追蹤，一段時間後測量各組植物生物量的增長，分配到根瘤的量和共生固氮的比率。並且建立相應的模型和參數分析。

圖1 Pentaclethra macroloba

 

   實驗結果是令人興奮的。首先在生物量上，不同光照的變化對其影響的浮動最大，其生物量的增長也是主要由光照變化來制約。在生物固氮百分比上，高光處理中的植物分別在低氮和高土壤氮含量處理中固定了氮的34％和20％，而植物在中低光處理中固定了0％的氮。並且在植物體的氮總體固定上，這個數量更顯著地是被光影響而不是土壤氮。更有趣的是，低中光照條件時，Pentaclethra macroloba會下調用於共生固氮的比例。而高光照時不會。

 

圖 2對於植物生物量和在遮蔭室生長的植物中固氮而言，光比土壤N更強。

 

圖3 光的影響在植物總固定氮比土壤氮更強

 

  在實驗中，Benton N. Taylor還有一些意外的發現，植物的體積大小也會影響根瘤菌的產生進而影響固氮，光增加結瘤的概率而不是結瘤內的結節質量等，當然這些也與先前的研究結果產生了一些碰撞，但是可以肯定的是，Benton N. Taylor成功顛覆了我們過去對共生固氮中土壤氮的認知，成功引入了更為重要的角色光，為固氮這一大課題提供了許多有價值的參考。

原論文連結:

https://www.nature.com/articles/s41477-018-0231-9

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