一项发表在《美国科学院院刊》上的新研究，深入探讨了豆科植物与根瘤菌在地下根瘤中的复杂化学相互作用。科学家们综合运用基因组学、转录组学、温室实验及先进统计方法，揭示了根瘤菌基因簇在驱动宿主植物生物量增长中的关键作用。

研究由伊利诺伊大学香槟分校植物生物学教授凯蒂·希思与艾米·马歇尔-科隆共同领导。他们指出，豆科植物如大豆、豌豆和花生等，与根瘤菌形成了一种特殊且紧密的共生关系。根瘤菌通过固定大气中的氮，为植物提供可利用的氮素，而植物则回馈以富含碳的糖分，这是植物光合作用的产物。

为全面理解这一相互作用，研究团队采用模型系统，将豆科植物蒺藜苜蓿与根瘤菌中华根瘤菌配对进行温室实验。他们为每株蒺藜苜蓿接种了20种基因不同的根瘤菌菌株，发现部分菌株能显著促进植物生长。通过分析根瘤的转录组，研究团队确定了与植物旺盛生长相关的植物和细菌基因的高水平表达。

进一步分析显示，许多关键基因聚集在根瘤菌的质粒中，这些质粒是环状DNA片段，具有高度的移动性，是水平基因转移的主要场所。水平基因转移使细菌能够从邻近细菌获取新基因，甚至获得成为根瘤菌所需的基因。

研究还通过删除特定基因的实验，证实了这些基因对植物生长的重要性。北达科他州立大学微生物学教授巴尼·格迪斯领导的这一部分实验，为理解基因功能提供了有力证据。

希思教授表示，虽然这项研究主要关注苜蓿根结线虫的一组特定基因，但所开发的方法具有广泛的适用性，可应用于许多其他领域。她强调，微生物遗传学的这些方面对于农业生产力、牲畜生长和人类健康都至关重要。

此项研究不仅增进了我们对豆科植物与根瘤菌共生关系的理解，还为通过改善根际环境来优化植物生长提供了新思路，有望对未来农业生产力提升产生深远影响。

更多信息： Marshall-Colón, Amy 等人，《移动基因簇和共表达的植物-根瘤菌途径驱动共生体质量变异》，《美国国家科学院院刊》(2025)。