基于野外的代谢组学与功能测定揭示了山生桦-弗兰克氏菌固氮共生关系中的关键化学信号

《Symbiosis》：Field-based metabolomics and functional assays unmask chemical signatures crucial for Alnus alnobetula-Frankia nitrogen-fixing symbiosis

　　

摘要

Alnus alnobetula（原Alnus viridis）与放线菌Frankia之间的关系是放线菌根共生的典型示例。这种共生关系会导致两个共生伙伴在形态和功能上发生深刻的变化，尤其是在其代谢组成方面。研究人员利用采集自多个野外样地树木的根部和根瘤进行了代谢组学分析。该分析鉴定出2种氨基酸、17种糖类和有机酸，以及92种次生代谢物，其丰度在根瘤和根部之间存在显著差异。在植物中检测到的两种氮转运氨基酸——谷氨酰胺和精氨酸——因此在根部中含量过高。大多数糖类和有机酸在根瘤中含量过高，并被表征为单糖和双糖苷（即一个或两个相连的糖结构）。通过纯化次生代谢物并利用核磁共振（NMR）光谱进行分析，成功表征了五种代谢物：三种椭圆单宁（M56、M68和M73），在根瘤中含量过高；香豆木-3-α-L-阿拉伯呋喃糖苷（M69），在根部中含量过高；以及槲皮素-3-α-L-阿拉伯呋喃糖苷（M59），这是两种组织中最丰富的代谢物。通过逐步增加M56、M68和M59化合物的浓度，研究了这些化合物对Frankia alni ACN14a固氮能力和细胞呼吸的影响，结果表明它们均能刺激固氮和呼吸作用。此外，还通过类似的生物测定实验测试了根部和根瘤提取物，确认了它们对Frankia生长和固氮的积极促进作用。这些结果与以下原则相符：落叶松通过刺激其Frankia共生菌的活性来增强固氮能力，从而促进营养交换，同时控制其在根瘤中的增殖。