在低光照環境下綠豆、根瘤菌與叢枝菌根菌三者間的共生交互作用

Abstract

生物在適應的環境的過程中，發展出與其他生物合作的模式，提高自身的生存率，稱之為共生。共生往往受到生物體精細的調控，不同的環境甚至會打破生物間原本的共生關係。植物與其他生物也存在著古老的共生關係，如叢枝菌根菌 (arbuscular mycorrhizal fungi) 可以為宿主提供磷，而根瘤菌 (rhizobia) 可以為豆科植物固氮。豆科植物-根瘤菌-叢枝菌根菌形成三者共生時往往可以幫助豆科植物的生長，但在嚴苛的環境下，三者之間的共生關係是否還能繼續維持?還是會有一種生物變身成寄生生物呢?本篇研究著重於探討三者共生的關係在低光源且營養缺乏的環境中是否會破局，以及兩個綠豆亞種對於兩種土壤共生菌的共生反應是否有所不同。為了盡量涵蓋全球各地的綠豆基因型，我們選用了10個綠豆品系，橫跨野生型綠豆 (Vigna radiata ssp. sublobata) 與栽培型綠豆 (V. radiata ssp. radiata) 的四個族群，含東亞、中亞、南亞、東南亞族群。單獨接種根瘤菌顯著提升兩個綠豆亞種的生長狀況，而單獨接種叢枝菌根菌反而使綠豆生物量下降。共同接種兩種土壤共生菌後，綠豆的生長狀況與單獨接種根瘤菌的情狀相似。另外根瘤菌在共生後期顯著地提升綠豆的相對葉綠素含量。在探討總根瘤鮮重與植物性狀關係的分析中，發現隨著總根瘤鮮重的上升，植物性狀大多都會跟著提升，而叢枝菌根菌的存在則使相關性下降。五個野生型綠豆品系皆會與根瘤菌形成根瘤，栽培品系綠豆則顯示出不同的結果：西亞和中亞族群形成極多根瘤而南亞與東南亞族群卻無法或形成少數根瘤。叢枝菌根菌則廣泛地與所有綠品系豆形成共生構造。我們發現根瘤菌可以提升叢枝菌根菌的適應力，而叢枝菌根菌則會使根瘤菌的適應力下降。後續我們擴增至20個綠豆品系測試跟兩種根瘤菌 (Bradyrhizobium japonicum 和 Enifer fredii) 是否會呈現不同的專一性，結果顯示E. fredii對綠豆具有較明顯的宿主專一性，並且專一性與綠豆的族群結構無關。另外B. japonicum對20個品系的綠豆在相對葉綠素含量上相較有E. fredii對更顯著的促進作用。綜合來說，在低光照低養分的環境下對於綠豆來說根瘤菌是較佳的共生夥伴，叢枝菌根菌更像一個寄生生物。