中國科學院西雙版納熱帶植物園（以下簡稱“版納植物園”）熱帶稻種保護與遺傳改良研究組致力于熱帶稻種適應于水、陸生環境的遺傳基礎及生物學機制解析，挖掘稻種資源適應極端環境的特異性狀與其育種利用價值，開展旱直播陸稻育種研究。鑒于育種學的學術背景與植物性狀生物學功能的獨特視角，徐鵬研究員2018年在版納植物園園區內發現藤蔓植物蔓性野牡丹（Heterotis rotundifolia）氣生根大量分泌黏液的生物學現象（圖1），指導博士研究生龐志強、碩士生毛新雨聯合浙江大學胡凌飛研究員和中國農科院基因組所周紹群研究員實驗室研究解析該氣生根-黏液特異性狀的生物學功能。

　　首先，基于該黏液的特殊生態位屬性提出了以下科學問題：（1）黏液的化學組分與物質組成是什么?（2）氣生根黏液的分泌有什么潛在的生物學功能？（3）黏液如何從植物中分泌及如何行使生物學功能?（4）該體系對于植物生長與農作物生產有何啟發？ 

　　通過廣泛靶向和靶向代謝組技術檢測了氣生根黏液和地下根系分泌物的化學組成，發現地下根系分泌物中脂類和生物堿等次生代謝產物的相對含量較高，而氣生根黏液中氨基酸（及衍生物）類、核苷酸（及衍生物）類、類黃酮和糖類等碳水化合物等相對含量較高，這與氣生根黏液具有類似的“黏性”特征是一致的。氣生根黏液和地下根系分泌物具有不同的生物化學組成，并且氣生根黏液含有大量多糖類等碳水化合物，這暗示不同的生態位可能提供了不同的營養物與“信號源”，可能進而形成了不同的生態位，喂養“居住”的不同微生物群落（圖2）。 

　　進而通過微生物組測序及同位素氮標記的培養體系發現黏液微生境中富含大量的固氮細菌類群，通過氮標記實驗、氮同位素自然豐度、氣生根黏液去除控制實驗明確了氣生根黏液貢獻了植物生物固氮量的37-54%（圖3），結合植物基因組、轉錄組等分子生物學證據首次發現了雙子葉植物的氣生根能夠通過黏液中的功能微生物行使固氮的生物學功能、實現與宿主植物的雙向碳氮交換過程，該研究結果擴展了傳統植物生態學研究中定義的“根際”范疇。 

　　但黏液作為富含糖分等碳水化合物的“天然培養基”，為什么其中只是較為特殊的固氮細菌類群而非環境各類微生物的“大爆發”?研究人員推測黏液中可能存在特定的抗生素類化合物或關鍵的微生物類群能夠抵御環境中大量的“雜菌”或病原微生物，但對固氮功能微生物類群是“友好”的，從而實現微生境中微生物的功能穩態。因此，研究人員進一步實驗發現黏液中存在一種被宿主“招募”和伴生的“保衛”真菌F-XTBG8（刺孢殼屬真菌Chaetomella raphigera），該菌具有廣譜的抗菌活性，能夠抑制超過100種環境和植物病原性微生物類群，卻選擇性地允許黏液中的固氮微生物類群生長（圖4）。通過解析F-XTBG8真菌的基因組、轉錄組與代謝組發現該菌廣泛存在于植物的各個器官部位，且該菌可能是通過產生廣譜性的抗生素抵御環境中的其他微生物，以維持黏液中微生物的穩態和微生境的平衡。 

　　該研究發現了氣生根-黏液的固氮功能和存在于其中的關鍵“保衛”真菌，為氣生根-黏液特異生物學現象的生物學功能和微生境穩態維持機制提供了新的見解，對于創制植物功能性微生物及廣譜抗性生物制劑具有重要的理論指導意義。另外，實驗人員也發現固氮和廣譜抗性的功能菌株對農作物水稻、陸稻、玉米、小麥及番茄等多宿主具有促生、抗病的生物學效應，將進一步評估用于農作物生產中生物制劑使用。 

　　相關研究成果近日以Microbiota-mediated nitrogen fixation and microhabitat homeostasis in aerial root-mucilage為題在線發表于微生物學著名期刊Microbiome，具有廣譜抗性的菌株F-XTBG8已申請生防菌株專利（一種具有廣譜抗菌活性的刺孢殼屬真菌F-XTBG8在制備抗真菌活性物質中的應用，受理號202310350215.5）。 

　　該研究得到版納植物園公共技術中心同位素研究平臺與郭娟工程師大力支持，周文君副研究員、王剛研究員、楊志靈研究員、邵士成副研究員在實驗開展與論文撰寫過程中提供了相關建議與幫助，在此一并感謝。

圖1：蔓性野牡丹的花及其氣生根分泌的黏液

圖2：氣生根黏液與地下根際生態位具有不用的化學組成和微生物組

圖3：氮同位素標記實驗及控制實驗證明氣生根-黏液微生境具有固氮與促生功能

圖4：黏液微生境中存在一種廣譜抗性的真菌F-XTBG8，但其不抵御固氮細菌類群