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Conditional sanctioning in a legume-Rhizobium mutualism [Plant Biology]
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America ( IF 9.412 ) Pub Date : 2021-05-11 , DOI: 10.1073/pnas.2025760118
Annet Westhoek, Laura J. Clark, Michael Culbert, Neil Dalchau, Megan Griffiths, Beatriz Jorrin, Ramakrishnan Karunakaran, Raphael Ledermann, Andrzej Tkacz, Isabel Webb, Euan K. James, Philip S. Poole, Lindsay A. Turnbull

Legumes are high in protein and form a valuable part of human diets due to their interaction with symbiotic nitrogen-fixing bacteria known as rhizobia. Plants house rhizobia in specialized root nodules and provide the rhizobia with carbon in return for nitrogen. However, plants usually house multiple rhizobial strains that vary in their fixation ability, so the plant faces an investment dilemma. Plants are known to sanction strains that do not fix nitrogen, but nonfixers are rare in field settings, while intermediate fixers are common. Here, we modeled how plants should respond to an intermediate fixer that was otherwise isogenic and tested model predictions using pea plants. Intermediate fixers were only tolerated when a better strain was not available. In agreement with model predictions, nodules containing the intermediate-fixing strain were large and healthy when the only alternative was a nonfixer, but nodules of the intermediate-fixing strain were small and white when the plant was coinoculated with a more effective strain. The reduction in nodule size was preceded by a lower carbon supply to the nodule even before differences in nodule size could be observed. Sanctioned nodules had reduced rates of nitrogen fixation, and in later developmental stages, sanctioned nodules contained fewer viable bacteria than nonsanctioned nodules. This indicates that legumes can make conditional decisions, most likely by comparing a local nodule-dependent cue of nitrogen output with a global cue, giving them remarkable control over their symbiotic partners.



中文翻译:

豆科植物-根瘤菌共生中的有条件制裁[植物生物学]

豆类因其与称为根瘤菌的共生固氮细菌的相互作用而富含蛋白质,并成为人类饮食中的重要组成部分。植物将根瘤菌安置在专门的根瘤中,并为根瘤菌提供碳,以换取氮。但是,植物通常会容纳多种固氮能力不同的根瘤菌菌株,因此植物面临投资困境。众所周知,植物会制裁不能固氮的菌株,但非固定剂在田间环境中很少见,而中间固定剂则很常见。在这里,我们模拟了植物如何应对中间等位基因,而中间等位基因是等基因的,并使用豌豆植物测试了模型预测。仅在没有更好的应变时才允许使用中间固定剂。与模型预测一致,当唯一的选择是非固定剂时,含有中间固定菌株的根瘤大而健康,而当植物与更有效的菌株共接种时,中间固定菌株的根瘤小而白色。在结节尺寸减小之前,甚至在可以观察到结节尺寸差异之前,对结节的碳供应量都较低。批准的结核降低了固氮率,在发育的后期,批准的结核比未批准的结核含有更少的活细菌。这表明豆科植物可以做出条件性决定,最有可能的方法是将局部结节相关的氮素输出信号与全局输出信号进行比较,从而赋予其对共生伙伴的显着控制能力。但是当将植物与更有效的菌株共接种时,中间固定菌株的结节又小又白。在结节尺寸减小之前,甚至在可以观察到结节尺寸差异之前,对结节的碳供应量都较低。批准的结核降低了固氮率,在发育的后期,批准的结核比未批准的结核含有更少的活细菌。这表明豆科植物可以做出条件性决定,最有可能的方法是将局部结节相关的氮素输出信号与全局输出信号进行比较,从而赋予其对共生伙伴的显着控制能力。但是当将植物与更有效的菌株共接种时,中间固定菌株的结节又小又白。在结节尺寸减小之前,甚至在可以观察到结节尺寸差异之前,对结节的碳供应量都较低。批准的结核降低了固氮率,在发育的后期,批准的结核比未批准的结核含有更少的活细菌。这表明豆科植物可以做出条件性决定,最有可能的方法是将局部结节相关的氮素输出信号与全局输出信号进行比较,从而赋予其对共生伙伴的显着控制能力。在结节尺寸减小之前,甚至在可以观察到结节尺寸差异之前,对结节的碳供应量都较低。批准的结核降低了固氮率,在发育的后期,批准的结核比未批准的结核含有更少的活细菌。这表明豆科植物可以做出条件性决定,最有可能的方法是将局部结节相关的氮素输出信号与全局输出信号进行比较,从而赋予其对共生伙伴的显着控制能力。在结节尺寸减小之前,甚至在可以观察到结节尺寸差异之前,对结节的碳供应量都较低。批准的结核降低了固氮率,在发育的后期,批准的结核比未批准的结核含有更少的活细菌。这表明豆科植物可以做出条件性决定,最有可能的方法是将局部结节相关的氮素输出信号与全局输出信号进行比较,从而赋予其对共生伙伴的显着控制能力。

更新日期:2021-05-03
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